Linux操作系統實時性分析及改進策略

2 影響Linux實時性能的主要因素
在Linux系統中，響應中斷的過程如下：設備產生一個中斷、中斷處理函數開始執行、喚醒任務并在運行隊列排隊、任務獲取CPU并開始執行、任務執行完畢。圖1為事件處理過程各個階段圖以及影響響應時間的因素（每個階段下面的字母A~J表示這個階段中影響響應時間的因素）：
由圖中可以分析出導致Linux系統不能滿足實時系統短的響應時間和確定的執行行為的要求的主要因素有以下方面：
（1）Linux操作系統存在關中斷的機制。導致的結果是：如果低優先級的進程由于進入臨界區或者為了盡快完成任務而關閉了中斷，那么即使有高優先級實時進程的中斷發生系統也無法響應。這種情況在實時系統中是不允許發生的。
（2）Linux操作系統內核是禁止搶占的。一個進程一旦進入內核，它將運行直到系統調用結束或進程被阻塞。這時候一個高優先級的實時進程只能等待。這樣的設計是為了簡化任務調度，但對實時進程來說這樣的時間等待是不允許的。
（3）Linux使用的是基于優先級的任務調度策略。這種調度策略不能保證實時任務按時完成。Linux雖然給實時進程提供了較高的優先級，但是，并沒有加入時間限制。例如完成的最后期限、應在多長時間內完成、執行周期等等。例如，Linux的基于時間片的調度策略可能使得一個實時進程在一個時間片內未完成，其優先級將降低，從而可能造成到截止時間實時任務無法完成。
（4）其他方面
Linux利用交換空間讓進程運行在一個比實際內存大的虛擬內存空間中。當進程訪問的虛擬內存的內容在交換空間里時，Linux就要把在交換空間里的頁面交換到實際的內存中，而這段時間是不可預測的，這造成了實時響應時間的不確定性；
在Linux中，高優先級的進程不能搶占低優先級進程的資源。即如果高優先級的進程要使用低優先級進程正在使用的資源時，它必須等待低優先級的進程釋放資源，這樣容易產生優先級倒置；
另外，Linux的周期模式定時器頻率僅為100Hz，遠不能滿足多種實時應用的要求。
Linux之所以有以上問題，是因為它最主要的設計原則是最大限度的利用各種資源，力求最公平的調度各個進程，以獲得最大的整體性能，這也正是通用操作系統的設計原則。
3 Linux關中斷機制
Linux內核可以看成是一個不斷對請求進行響應的服務器，這些請求可能來自正在cpu上執行的進程，也可能來自正在執行中斷請求的外部設備。因此，內核的各個部分并不是嚴格按照順序依次執行的，而是采用交錯執行的方式。內核控制路徑是指內核用來處理系統調用、異常或中斷所執行的指令序列。在交錯執行內核控制路徑時，要避免可能帶來的數據混亂的危險，因此引入了臨界區的概念。臨界區是指一段代碼，在其他的內核控制路徑能夠進入臨界區前，進入臨界區的每一內核控制路徑都必須全部執行完這段代碼。
另外，在Linux操作系統中，大部分外部中斷都是開啟的，中斷處理一般由設備驅動程序來完成。由于通用操作系統中的用戶進程一般都沒有實時性要求，而中斷處理程序直接跟硬件設備交互，可能有實時性要求，因此中斷處理程序的優先級被設定為高于任何用戶進程。 但對于實時操作系統采用上述的中斷處理機制是不合適的。外部中斷是環境向實時操作系統進行的輸入，它的頻度是與環境變化的速率相關的，而與實時操作系統無關。如果外部中斷產生的頻度不可預測，則一個實時任務在運行時被中斷處理程序阻塞的時間開銷也是不可預測的，從而使任務的實時性得不到保證。因此，Linux內核的進程經常關閉中斷以盡快完成自己的任務。但同時也引入了問題：如果低優先級的進程關閉了中斷，那么即使有高優先級實時進程的中斷發生系統也無法響應。這種情況在實時系統中也是不允許發生的。
4、RTLinux的雙內核解決方案
4．1基本思想
針對Linux的關中斷機制，RTLinux提出了采用虛擬機技術模擬Linux關中斷的解決方法。基本思想如下：Linux不直接與中斷控制硬件進行聯系，而是在二者之間加入了一個中斷控制硬件的仿真層，這個仿真層只提供實時服務，它使得Linux在不能禁止中斷的同時，還能對Linux內核的同步需求提供支持。一旦中斷到來，就先由該仿真層處理，在仿真層完成了所有需要進行的實時處理后，才會交給Linux進行進一步的處理。如果Linux已經進行了禁止中斷的操作，則仿真層只是將該中斷標記為處于掛起狀態。當Linux進行了允許中斷的操作后，仿真層就會將控制切換到處于掛起狀態的、具有最高優先級中斷的中斷處理程序。
4．2工作原理
將Linux操作系統內核作為一個任務執行在一個小的實時操作系統之上。事實上，Linux是這個實時操作系統的空閑的任務，它僅在沒有實時任務運行的情況下執行。Linux作為一個任務本身不能禁止中斷。解決Linux禁止中斷的問題是通過在實時內核中模擬Linux中斷例程完成的。當Linux內核執行cli()禁止中斷時，一個軟中斷標志被設置。當一個中斷發生時，實時內核將捕獲中斷并根據這個標志和中斷掩碼來決定是否將該中斷交給Linux內核處理。因此，雖然允許Linux禁止中斷，但中斷對實時內核總是可見的。如果該中斷將引起一個實時任務的執行，則實時內核保存Linux的狀態并立即開始執行實時任務。如果不是實時中斷，中斷就被掛起，之后查看Linux對該中斷的操作狀態，如果Linux沒有禁止此中斷，就將該中斷交給Linux，由Linux執行相應的中斷處理函數。如果Linux禁止中斷，則在Linux重新開啟中斷時，實時內核處理所有掛起的中斷交由Linux執行相應的中斷處理函數。
4．3具體實現
對于軟中斷，RT-Linux在初始化模塊Init_module()中首先調用結構相關函數arch_takeover() 來覆蓋原來的關中斷相關的函數，主要有：使用rtl_soft_cli替換__cli；使用rtl_soft_sti替換__sti；使用rtl_soft_save_flags替換__save_flags_ptr；使用rtl_soft_restore_flags替換__restore_flags。
處理中斷時，使用rtl_intercept()來代替do_IRQ()，用來執行與一個中斷相關的所有中斷服務例程。這里主要做的修改是將實時中斷與普通Linux中斷分開處理。
1）它首先調用函數rtl_irq_controller_get_irq(regs)判斷是否獲取到中斷，
2）如果獲取到中斷，并且是實時irq請求，就調用dispatch_rtl_handler執行實時irq對應的中斷服務例程，然后，從中斷返回。
3）如果是非實時irq請求，就掛起irq請求G_PEND(irq)，設置掛起標志表明有掛起的irq請求G_SET(g_pend_since_sti)。
若Linux開啟了中斷，就解除irq掛起狀態G_UNPEND(irq)，調用函數dispatch_Linux_irq執行該irq對應中斷服務程序，之后從中斷返回。
當實時進程與普通進程進行通信時使用實時FIFO技術。當insmod將rtl_FIFO.o驅動程序插入Linux內核時，該驅動程序將自己注冊為RTLinux的一部分，并成為Linux驅動程序。一旦插入Linux內核，用戶空間進程和實時任務都可使用實時FIFO，如圖2所示。

任何硬實時任務都是在RTLinux的控制下運行的，該任務一般可執行周期性任務、處理中斷并與I/O設備驅動程序通信，以采集或輸出模擬和數字信息。當實時任務需要告訴用戶進程有一個事件將發生時，它便將這一消息送給實時FIFO。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數據：從實時任務到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個FIFO。
下面說明實時FIFO的使用方法：
1）FIFO是在init_module()時調用rtf_create()創建的，在cleanup_module()中調用rtf_destroy()撤銷。
2）在創建FIFO時，可以調用rtf_create_handler()注冊該實時FIFO的處理程序。每次Linux進程讀或寫該FIFO時，rtl_FIFO驅動程序都要調用該處理程序。
3）對FIFO的寫入和讀出是通過函數rtf_put()和rtf_get()來實現的。任何讀出或寫入實時任務一側的操作都是非模塊操作，因此rtf_put()和rtf_get()都立即返回，而不管FIFO狀態是什么。
如上例數據采集，可以注冊一個FIFO。當有中斷表明數據到來時，該中斷服務例程可以調用rtf_put()將數據寫入FIFO，而Linux進程就可以使用rtf_get()從FIFO中讀出數據進行處理。
5、結束語
RTLinux的雙內核解決方案還可以結合實時內核與非實時OS內核的綜合優勢，實時進程與普通Linux進程之間使用實時FIFO傳遞信息。即可以提高實時系統的可用性，也可以節省計算資源，同時將實時系統的一部分任務劃分出來，降低了實時內核需要處理的復雜度，提高了實時的計算效率。