多處理器下的硬實(shí)時(shí)操作系統研究

0、引言

Linux 是一個(gè)具有廣闊前景的操作系統，從桌面工作站到低端服務(wù)器，處處都可見(jiàn)它的身影?，F如今，Linux 正全力進(jìn)軍嵌入式系統和高端服務(wù)器系統領(lǐng)域，但它的技術(shù)缺陷卻限制了它的競爭力：雖然Linux繼承了傳統Unix的公平調度機制即分時(shí)調度策略，提供了一個(gè)穩定的操作系統的管理系統，但是它仍然不能解決實(shí)時(shí)系統要求的納秒級的中斷延遲、任務(wù)切換時(shí)間，即便是當前的2.6內核，也只是在linux內核中添加了一些可搶占點(diǎn)，對實(shí)時(shí)性的支持也還是不盡人意。

現如今提出了一種將實(shí)時(shí)任務(wù)與SMP體系結構相結合的方案，由于它將處理器以實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行了劃分，所以稱(chēng)之為不對稱(chēng)的多處理器原則。盡管這種方案是可行的，但是它仍存在一個(gè)很大的弊端：在非實(shí)時(shí)處理器負載過(guò)重的情況下，實(shí)時(shí)處理器可能會(huì )處在空閑的狀態(tài)，這樣就造成了極大的資源浪費。于是一種對這種方案進(jìn)行拓展的實(shí)時(shí)系統――ARTiS系統便應運而生。

1、 ATRiS簡(jiǎn)介

ATRiS是一個(gè)以多處理器（SMP）架構為基礎，對linux進(jìn)行實(shí)時(shí)拓展的系統。它的核心思想是：“將多個(gè)處理器進(jìn)行分類(lèi)，即分為實(shí)時(shí)處理器（RT CPU）和非實(shí)時(shí)處理器（NRT CPU），在實(shí)際的運行當中，它將通過(guò)自身的遷移機制實(shí)現非實(shí)時(shí)任務(wù)在進(jìn)入不可強占狀態(tài)前遷移到非實(shí)時(shí)處理器，以便實(shí)時(shí)處理器及時(shí)響應實(shí)時(shí)任務(wù)。并通過(guò)改進(jìn)的負載平衡機制使ATRiS系統充分發(fā)揮SMP架構的優(yōu)勢。

1.1 ATRiS任務(wù)與處理器的劃分

在A(yíng)TRiS系統中不僅將處理器分為了實(shí)時(shí)處理器與非實(shí)時(shí)處理器，而且將任務(wù)也分成了三種類(lèi)型，分別是RT0任務(wù)、RT1+任務(wù)以及Linux任務(wù)，分別對應于現實(shí)中的硬實(shí)時(shí)任務(wù)，軟實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)。下面給出了處理器與任務(wù)之間的關(guān)系：

RT0任務(wù)：對應于要處理的硬實(shí)時(shí)任務(wù)，具有最高的優(yōu)先級。并且每一個(gè)RT0任務(wù)都會(huì )與唯一的一個(gè)實(shí)時(shí)處理器綁定，于是RT0任務(wù)就只能運行在實(shí)時(shí)的處理器上。

RT1+任務(wù)：對應于要處理的軟實(shí)時(shí)任務(wù)，可以運行在實(shí)時(shí)處理器，也可以運行在非實(shí)時(shí)處理器上。但是當它要運行在實(shí)時(shí)處理器上時(shí)，必須是處于可搶占的狀態(tài)，否則就要遷移到非實(shí)時(shí)處理器上。

Linux任務(wù)：即非實(shí)時(shí)的linux任務(wù)，與RT1+任務(wù)一樣，它也可以運行在實(shí)時(shí)處理器上，并且當它執行到一段不可搶占的代碼時(shí)需要遷移至非實(shí)時(shí)的處理器。

1.2 遷移機制

ARTiS中遷移機制的目標是：在保證可以實(shí)時(shí)響應RT0任務(wù)的前提下，盡可能多的發(fā)揮多處理器的并行特性。為了滿(mǎn)足這一目標，它要求實(shí)時(shí)處理器上的非RT0任務(wù)在進(jìn)入到不可搶占的代碼段時(shí)必須自動(dòng)遷移到非實(shí)時(shí)處理器。為了使遷移不受阻礙的發(fā)生，ARTiS去掉了處理器之間的共享鎖，取而代之的是一個(gè)FIFO隊列，用它來(lái)實(shí)現非實(shí)時(shí)處理器與實(shí)時(shí)處理器之間的交互。也就是說(shuō)，ARTiS中的處理器將通過(guò)這個(gè)FIFO隊列來(lái)存放或者取出需要遷移的非RT0任務(wù)。

1.3 負載平衡機制

通常的負載平衡機制是指：通過(guò)在多臺計算機之間合理地分配負載，使各臺計算機的負載基本均衡。但是在A(yíng)RTiS系統中RT0任務(wù)是不可遷移的，而且 linux原有的負載平衡機制只是針對于處理對稱(chēng)處理器（實(shí)時(shí)處理器與實(shí)時(shí)處理器，非實(shí)時(shí)處理器與非實(shí)時(shí)處理器）之間的負載平衡，并未設計不對稱(chēng)處理器之間平衡負載的方法。所以相對的負載平衡機制也更加復雜。

2、ATRiS機制實(shí)現

ATRiS系統的實(shí)現機制是通過(guò)改變內核源碼實(shí)現的，由于它所要實(shí)現的只是在實(shí)時(shí)處理器空閑時(shí)將非實(shí)時(shí)任務(wù)遷移至實(shí)時(shí)處理器，而在非實(shí)時(shí)任務(wù)到達不可搶占代碼時(shí)遷移出實(shí)時(shí)處理器，所以它所要執行的主要功能就是：在實(shí)時(shí)處理器空閑的狀態(tài)下，通過(guò)自身的負載平衡機制將非實(shí)時(shí)處理器上的任務(wù)遷移至實(shí)時(shí)處理器。而當非實(shí)時(shí)任務(wù)執行到不可搶占的代碼時(shí)，利用自身的遷移機制將非實(shí)時(shí)任務(wù)遷移至非實(shí)時(shí)處理器。

盡管如此，ARTiS并不是完全另起爐灶，它只是在linux原有的任務(wù)遷移和負載平衡機制上添加一些自己的函數，由此來(lái)實(shí)現自身特有的任務(wù)遷移和負載平衡機制。

2.1 任務(wù)遷移機制

ATRiS系統的遷移機制的核心就是：當一個(gè)非RT0任務(wù)將要執行到不可搶占的代碼部分時(shí)，將會(huì )自動(dòng)的從實(shí)時(shí)處理器遷移至非實(shí)時(shí)處理器?？梢詫⒃摍C制看作兩步：第一步是確定非RT0任務(wù)的不可搶占點(diǎn)，即確定遷移的時(shí)機；第二步則是要將任務(wù)從實(shí)時(shí)處理器遷移至非實(shí)時(shí)處理器，即實(shí)現遷移。

確定遷移的時(shí)機

在A(yíng)RTiS系統中的任務(wù)是通過(guò)注冊而產(chǎn)生的(RT0任務(wù)就是通過(guò)int artis_enter_rt0(pid_t pid, int rt_cpu)函數注冊的，RT1+任務(wù)是通int artis_enter_rt1plus(pid_t pid, int policy, int priority)函數注冊)，由于RT0任務(wù)是不存在被搶占的問(wèn)題的，所以這里只考慮RT1+問(wèn)題發(fā)生遷移的時(shí)機，ARTiS系統認為，如果一個(gè)任務(wù)執行了系統函數preempt_disable()或local_irp_disable()時(shí)，則表明他將要進(jìn)入不可搶占狀態(tài)，即需要進(jìn)行任務(wù)的遷移。 ARTiS系統在上述的兩個(gè)函數中添加了函數artis_try_to_migrate()，該函數首先會(huì )判斷是否滿(mǎn)足遷移其他條件（例如：判斷當前運行的處理器是否是實(shí)時(shí)處理器等），然后調用函數artis_request_for_migration()請求遷移。