嵌入式Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)

摘要：Linux已經(jīng)被移植到多種嵌入式處理器，并得到廣泛應用。主流內核實(shí)時(shí)性能不斷增強，但在工業(yè)控制等特定場(chǎng)合仍無(wú)法滿(mǎn)足強實(shí)時(shí)性需求。本文分析了Linux內核時(shí)延和實(shí)時(shí)化主流技術(shù)，對實(shí)時(shí)搶占內核技術(shù)進(jìn)行了分析和評測。
關(guān)鍵詞：Linux內核延遲分析；內核實(shí)時(shí)化技術(shù)；實(shí)時(shí)搶占內核分析；Linux實(shí)時(shí)性

引言

　　Linux支持PowerPC、MIPS、ARM、DSP等多種嵌入式處理器，逐漸被用于多種關(guān)鍵性場(chǎng)合。其中實(shí)時(shí)多媒體處理、工業(yè)控制、汽車(chē)電子等特定應用對Linux提出了強實(shí)時(shí)性需求[1]。Linux提供了一些實(shí)時(shí)擴展，但需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造。本文針對嵌入式Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論，如Linux內核時(shí)延，實(shí)時(shí)化主流技術(shù)方案及其評價(jià)等。

Linux內核時(shí)延

　　主流Linux雖然部分滿(mǎn)足POSIX 1003.1b實(shí)時(shí)擴展標準，但還不完全是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統，主要表現為：

　　* 任務(wù)調度與內核搶占

　　2.6版本內核添加了許多搶占點(diǎn)，使進(jìn)程執行在內核代碼時(shí)也可被搶占。為支持內核代碼可搶占，在2.6版內核中通過(guò)采用禁用中斷的自旋鎖來(lái)保護臨界區。但此時(shí)如果有低優(yōu)先級進(jìn)程在臨界區中執行，高優(yōu)先級進(jìn)程即使不訪(fǎng)問(wèn)低優(yōu)先級所保護的臨界區，也必須等待低優(yōu)先級進(jìn)程退出臨界區。

　　* 中斷延遲

　　在主流Linux內核設計中，中斷可以搶占最高優(yōu)先級的任務(wù)，使高優(yōu)先級任務(wù)被阻塞的最長(cháng)時(shí)間不確定。而且，由于內核為保護臨界區需要關(guān)閉中斷，更加增長(cháng)了高優(yōu)先級任務(wù)阻塞時(shí)間。

　　* 時(shí)鐘精度

　　Linux通過(guò)硬件時(shí)鐘編程來(lái)產(chǎn)生毫秒級周期性時(shí)鐘中斷進(jìn)行內核時(shí)間管理，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統較高精度的調度要求。內核定時(shí)器精度同樣也受限于時(shí)鐘中斷，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統的高精度定時(shí)需求。

　　* 其他延遲

　　此外，Linux內核其他子系統也存在多種延遲。比如為了增強內核性能和減少內存消耗，Linux僅在需要時(shí)裝載程序地址空間相應的內存頁(yè)。當被存取內容（如代碼）不在RAM中則內存管理單元（MMU）將產(chǎn)生頁(yè)表錯誤（Page-Fault）觸發(fā)頁(yè)面裝載，造成實(shí)時(shí)進(jìn)程響應時(shí)間不確定。

Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)發(fā)展

　　主流Linux內核1.x、2.2.x和2.4.x版本的Linux內核無(wú)搶占支持，直到2.6版本的Linux內核才支持可搶占內核，支持臨界區外的內核搶占和可搶占的大內核鎖。在此基礎上，Linux采用了下列兩類(lèi)實(shí)時(shí)化技術(shù)。

　　* 雙內核方式

　　Linux內核實(shí)時(shí)化雙內核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等為典型代表。其中RT-Linux實(shí)現了一個(gè)微內核實(shí)時(shí)操作系統支持底層任務(wù)管理、中斷服務(wù)例程、底層任務(wù)通信隊列等。普通Linux作為實(shí)時(shí)操作系統的最低優(yōu)先級任務(wù)，Linux下的任務(wù)通過(guò)FIFO命名管道和實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行通信，如圖1所示。

圖1 雙內核架構的Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)

　　當Linux要關(guān)閉中斷時(shí)，實(shí)時(shí)微內核會(huì )截取并記錄這個(gè)請求，通過(guò)軟件來(lái)模擬中斷控制器，而沒(méi)有真正關(guān)閉硬件中斷，避免了由于關(guān)中斷所造成的響應延遲。RT-Linux將系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘設置為單次觸發(fā)模式，提供微秒級的時(shí)鐘精度。RTAI類(lèi)似RTLinux的實(shí)現方式，不同之處在于它修改了體系結構相關(guān)代碼，形成一個(gè)實(shí)時(shí)硬件抽象層（RTHAL)，使其實(shí)時(shí)任務(wù)能在任何時(shí)刻中斷普通Linux任務(wù)，兩者之間通過(guò)非阻塞隊列進(jìn)行通訊。RTAI將直接修改Linux內核的代碼減至最少，具有更好的可移植性。Xenomai以RTAI為基礎，也稱(chēng)RTAI /Fusion。采用了Adeos微內核替代RTAI的硬件抽象層[11]。其特色還在于模仿了傳統RTOS的API接口，推動(dòng)傳統RTOS應用在GNU/Linux下的移植。類(lèi)似還有基于Fiasco微內核的L4Linux等開(kāi)源項目[12]。

　　* 內核補丁方式

　　雙內核實(shí)時(shí)方案下，實(shí)時(shí)任務(wù)需要按照微內核實(shí)時(shí)操作系統提供的另外一套API進(jìn)行設計。而內核補丁方式則不改變Linux的API，原有應用程序可在實(shí)時(shí)化后的操作系統上運行，典型的有早期研究性的Kurt-Linux和Red-Linux，商業(yè)版本的MontaVista [2]、TimeSys 和Wind River Linux，以及現階段Ingo Monlnar等人開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)搶占補丁內核等[3]。

　　Kurt-Linux是第一個(gè)基于普通Linux的實(shí)時(shí)操作系統。通過(guò)正常態(tài)、實(shí)時(shí)態(tài)和混合態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的劃分。RED-Linux通過(guò)任務(wù)多種屬性和調度程序，可以實(shí)現多種調度算法。采用軟件模擬中斷管理，并在內核插入了許多搶占點(diǎn)，提高了系統調度精度。

　　MontaVista Linux在低延遲補丁以及可搶占內核補丁基礎上[4]，通過(guò)開(kāi)發(fā)內核O(1)實(shí)時(shí)調度程序并對可搶占內核進(jìn)行了改進(jìn)和測試，Linux 2.4內核時(shí)代MontaVista Linux 作為商業(yè)成熟產(chǎn)品在實(shí)時(shí)性上有較強的優(yōu)勢。TimeSys Linux通過(guò)內核模塊的方式也提供了高精度時(shí)鐘、優(yōu)先級繼承mutex等支持。

　　2.6版本的主流內核吸收了以上技術(shù)，支持CONFIG_PREEMPT_NONE，CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY和CONFIG_PREEMPT等多種配置選項。分別適合于計算型任務(wù)系統，桌面用戶(hù)系統和毫秒級延遲嵌入式系統。2005年，針對2.6內核MontaVista推出了實(shí)時(shí)Linux計劃，推進(jìn)了Linux內核實(shí)時(shí)化進(jìn)程。隨后Ingo Molnar發(fā)布了新的實(shí)時(shí)搶占補丁，并逐漸成為L(cháng)inux內核實(shí)時(shí)主流技術(shù)，也為包括MontaVista Linux，Wind River Linux采用和補充，本文后續內容這要涉及實(shí)時(shí)搶占補丁。

Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)及評價(jià)

　　2.6版本Linux內核實(shí)時(shí)性能有一定增強，雙內核方式的Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)也在不斷發(fā)展中。原來(lái)由FSMLab維護的RTLinux，其版權在2007年2月被Wind River購買(mǎi)，先對在開(kāi)源社區就不很活躍，RTAI支持x386等體系結構，但由于其代碼較難維護、bug較難調試等原因，許多開(kāi)發(fā)者加入了Xenomai項目。Xenomai支持最新2.6版 Linux，相比之下代碼相對穩定和可維護，開(kāi)發(fā)模式較活躍。

　　內核補丁方式的Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)在2.6版內核基礎上做了大量改進(jìn)，使得內核中除了中斷關(guān)閉和IRQ線(xiàn)程分派、調度和上下文切換之外的絕大部分代碼都可以被搶占，不可搶占的自旋鎖保護臨界區從一千多個(gè)減少到幾十個(gè)，使得內核實(shí)時(shí)性得到極大的提高，獲得社區廣泛支持并逐漸成為L(cháng)inux實(shí)時(shí)化主流技術(shù)。

Linux內核實(shí)時(shí)化改進(jìn)

　　實(shí)時(shí)搶占內核補丁針對Linux各種延遲進(jìn)行了實(shí)時(shí)化改進(jìn)[5]，主要包括了幾個(gè)方面的技術(shù)。

　　* 實(shí)時(shí)搶占內核

　　為了實(shí)現內核完全可搶占，實(shí)時(shí)內核臨界區用高性能優(yōu)先級繼承mutex替換原來(lái)自旋鎖（spin-lock）來(lái)進(jìn)行保護，使得在臨界區內的執行也可被搶占。只有當線(xiàn)程想訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)其他線(xiàn)程正在訪(fǎng)問(wèn)的臨界區時(shí)，才被調度至睡眠，直到所保護的臨界區被釋放時(shí)被喚醒。

　　在實(shí)時(shí)搶占內核中通過(guò)優(yōu)先級繼承機制（PI）在線(xiàn)程被一個(gè)低優(yōu)先級線(xiàn)程所持有的資源阻塞時(shí)，低優(yōu)先級線(xiàn)程通過(guò)繼承被阻塞線(xiàn)程優(yōu)先級，盡快執行并釋放所持資源而不被其他線(xiàn)程所搶占。

　　* 新型鎖機制帶來(lái)內核性能提升

　　實(shí)時(shí)搶占補丁替換了大內核鎖（BKL），將BKL從spin lock改成是mutex，持有BKL的線(xiàn)程也可以被搶占，減少了內核調度延遲。此外，實(shí)時(shí)搶占補丁通過(guò)mutex替代semaphore，避免了不必要的時(shí)間負載。實(shí)時(shí)搶占補丁實(shí)現了可搶占的RCU（Read Copy Update）鎖和串行化讀寫(xiě)鎖，保證了執行可預測性，提高了性能。

　　* 中斷線(xiàn)程化

　　實(shí)時(shí)搶占補丁通過(guò)內核線(xiàn)程來(lái)實(shí)現一些硬件中斷和軟件中斷的服務(wù)程序。體系結構相關(guān)處理代碼設置IRQ狀態(tài)、檢查線(xiàn)程化的中斷是否使能，并喚醒相關(guān)線(xiàn)程。在中斷線(xiàn)程被調度執行后，進(jìn)行中斷服務(wù)處理。在實(shí)時(shí)搶占內核中，用戶(hù)線(xiàn)程優(yōu)先級可以高于設備中斷服務(wù)線(xiàn)程。實(shí)時(shí)任務(wù)無(wú)需等待設備驅動(dòng)處理程序執行，減小了實(shí)時(shí)搶占延遲。

　　* 時(shí)鐘系統改進(jìn)

　　實(shí)時(shí)搶占內核的時(shí)鐘系統重新進(jìn)行了設計，實(shí)現了高精度定時(shí)器[6]。時(shí)鐘精度不再依賴(lài)jiffies，使POSIX定時(shí)器和nanosleep精度由具體硬件所能提供的精度決定，使得gettimeofday能夠提供實(shí)時(shí)系統所需的精確時(shí)間值。

　　* 其他改進(jìn)

　　Linux在用戶(hù)層支持性能良好的futex，實(shí)現原理類(lèi)似于內核優(yōu)先級繼承mutex，僅在產(chǎn)生競態(tài)時(shí)進(jìn)入內核，提高了應用程序性能。此外，實(shí)時(shí)搶占補丁內核還提供mutex死鎖檢測、延遲跟蹤與測量、中斷關(guān)閉跟蹤與延遲測量、搶占延遲測量等內核調試與診斷、內核性能測量與調優(yōu)等工具、實(shí)時(shí)Trace支持（ Ftrace）等支持。

　　現階段實(shí)時(shí)化技術(shù)在各體系結構上逐漸得到了支持，如表1所示。

表1 Linux實(shí)時(shí)搶占補丁技術(shù)支持情況


實(shí)時(shí)搶占內核延遲

　　現階段，實(shí)時(shí)搶占補丁技術(shù)仍處于完善過(guò)程中，其表現在以下幾點(diǎn)不足。

　　* 中斷延遲

　　即使不發(fā)生中斷線(xiàn)程搶占，實(shí)時(shí)搶占內核相對原來(lái)中斷服務(wù)機制額外增加一對上下文切換時(shí)間，用于喚醒中斷服務(wù)線(xiàn)程執行和進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此外，內核中還存在少量用raw_spinlock鎖禁用中斷來(lái)保護的臨界區，需要計算這些鎖造成的中斷延遲。

　　* 任務(wù)搶占延遲

　　內核搶占延遲主要是由于在內核中使用各種鎖機制用于控制任務(wù)和中斷對臨界區的訪(fǎng)問(wèn)所造成的，特別是實(shí)時(shí)搶占內核中為了避免優(yōu)先級逆轉增加的鎖機制帶來(lái)了額外時(shí)間負載。

　　* 內核模塊其他延遲

　　在實(shí)時(shí)搶占補丁中，內存管理模塊還需減少頁(yè)表錯誤引起的延遲，降低mlockall內存鎖存造成的性能降級影響。實(shí)時(shí)搶占內核中高精度定時(shí)器的使用導致了額外定時(shí)器管理時(shí)間負載。此外，內核中一些驅動(dòng)程序需要針對實(shí)時(shí)應用進(jìn)行優(yōu)化來(lái)提高實(shí)時(shí)響應。軟浮點(diǎn)處理和軟浮點(diǎn)內核仿真需要和實(shí)時(shí)搶占補丁兼容，能耗管理子系統還需要具備實(shí)時(shí)系統感知能力。
實(shí)時(shí)搶占內核性能測試

　　本文在Intel Pentium M 1.7 GHz處理器上進(jìn)行了測試。測試環(huán)境包括：Linux內核2.6.25.8最小配置；patch-2.6.25.8-rt7實(shí)時(shí)補??；libc 2.5+和busybox-1.10.0構建initrdfs方式的根文件系統。

　　* 中斷延遲

　　采用實(shí)時(shí)搶占補丁支持的內核中斷延遲測量工具測量中斷關(guān)閉（IRQ OFF）時(shí)間。在100%負載情況下，十萬(wàn)采樣點(diǎn)中，最大值在31 us左右，絕大多數在1 us左右，如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)搶占內核中斷關(guān)閉延遲分布

　　* 任務(wù)搶占延遲

　　內核搶占關(guān)閉時(shí)間采用實(shí)時(shí)搶占補丁所支持的內核搶占關(guān)閉測量工具測量。實(shí)時(shí)搶占內核和普通Linux內核情況比較如表2所示。

表2 內核任務(wù)搶占關(guān)閉時(shí)間分布


　　實(shí)時(shí)應用中周期性任務(wù)需要能在確定的時(shí)間內得到執行。實(shí)時(shí)搶占內核和普通內核下的周期性任務(wù)延遲對比中可以看出實(shí)時(shí)搶占內核提供了實(shí)時(shí)任務(wù)的精確執行，如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)搶占內核和普通內核下周期性任務(wù)調度延遲對比

結語(yǔ)

　　嵌入式應用對Linux實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越多，主流內核逐漸加入實(shí)時(shí)化技術(shù)，最終將為實(shí)時(shí)應用提供完美解決方案。本文綜述了Linux內核時(shí)延，介紹了Linux內核實(shí)時(shí)化發(fā)展，分析了內核實(shí)時(shí)化主流技術(shù)，并分析了實(shí)時(shí)化技術(shù)不足之處，為更好地理解Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)提供了參考。

參考文獻：

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