Linux時(shí)鐘精度的提高方法

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　　近年來的研究以細(xì)化時(shí)鐘粒度來提高Linux的實(shí)時(shí)應(yīng)用能力提出了一些方案和設(shè)想，主要有KURT-Linux系統(tǒng)、RT-Linux系統(tǒng)。本文對(duì)KURT_Linux、RT-Linux提高時(shí)鐘精度的方法進(jìn)行分析，考慮在強(qiáng)周期性應(yīng)用或者在某個(gè)時(shí)段內(nèi)有大量高精度定時(shí)器將超時(shí)的情況下，采用一種動(dòng)態(tài)的多模式時(shí)鐘機(jī)制來提高Linux的時(shí)鐘精度，并通過分析測試證明該方案確實(shí)可行。

　　1 Linux時(shí)鐘機(jī)制與改進(jìn)

　　1.1 Linux時(shí)鐘機(jī)制

　　時(shí)鐘和定時(shí)器對(duì)Linux系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。首先，內(nèi)核要管理系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間以及墻上時(shí)間;其次，內(nèi)核中大量的任務(wù)是基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)，其中有些任務(wù)是周期執(zhí)行，如對(duì)調(diào)度程序中運(yùn)行隊(duì)列進(jìn)行平衡調(diào)整或?qū)ζ聊贿M(jìn)行刷新，而有些任務(wù)需要推后執(zhí)行的I/O操作則需要等待一個(gè)相對(duì)時(shí)間后才運(yùn)行。

　　系統(tǒng)時(shí)鐘是定時(shí)器硬件和系統(tǒng)軟件的結(jié)合，在X86體系結(jié)構(gòu)中，使用最普遍的定時(shí)器硬件是Intel8254可編程定時(shí)器芯片(PIT)，它產(chǎn)生的中斷就是時(shí)鐘中斷(tick)。時(shí)鐘中斷是特定的周期性中斷，對(duì)應(yīng)中斷服務(wù)程序，完成更新系統(tǒng)時(shí)間以及任務(wù)的管理、調(diào)度等工作;系統(tǒng)在每次時(shí)鐘中斷處理中更新jiffies，維護(hù)系統(tǒng)定時(shí)器鏈表timer_list，對(duì)超時(shí)的定時(shí)器進(jìn)行處理。

　　與系統(tǒng)定時(shí)器相對(duì)的是動(dòng)態(tài)定時(shí)器，是用來調(diào)度事件在將來某個(gè)時(shí)刻發(fā)生的機(jī)制。它依賴于系統(tǒng)時(shí)鐘中斷，在時(shí)鐘中斷服務(wù)程序的下半部，系統(tǒng)檢查是否有超時(shí)的動(dòng)態(tài)定時(shí)器并進(jìn)行處理。linux2.6內(nèi)核的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為1 000 Hz，即時(shí)鐘中斷的觸發(fā)周期為1 ms，中斷服務(wù)程序最快每1 ms執(zhí)行一次。動(dòng)態(tài)定時(shí)器隨時(shí)都可能超時(shí)，但只有在中斷服務(wù)處理程序執(zhí)行時(shí)才會(huì)檢查、執(zhí)行超時(shí)的動(dòng)態(tài)定時(shí)器，所以動(dòng)態(tài)定時(shí)器的平均誤差大約為半個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。

　　CNC數(shù)控系統(tǒng)的工作過程通常是首先內(nèi)建一個(gè)定時(shí)器(由操作系統(tǒng)完成)，然后周期性地執(zhí)行控制程序，周期通常為幾十微秒到十幾毫秒。在每個(gè)周期內(nèi)要完成狀態(tài)監(jiān)測、譯碼、刀具補(bǔ)償計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)算、PLC管理、位置控制等工作?？梢姡诩庸すぜ^程中，CNC要求的實(shí)時(shí)性非常高，必須在很短、很精確的周期內(nèi)完成一系列的計(jì)算和輸入輸出，否則加工精度無法得到保障。標(biāo)準(zhǔn)2.6內(nèi)核Linux定時(shí)器精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到數(shù)控系統(tǒng)周期實(shí)時(shí)任務(wù)要求的微秒級(jí)定時(shí)精度。

　　1.2 提高時(shí)鐘精度的辦法

　　近年來人們對(duì)Linux進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造提出了一些方案和設(shè)想，主要有KURT-Linux、RT-Linux等[2]。下面分別進(jìn)行介紹。

　　KURT_Linux[3]由kansas大學(xué)開發(fā)，通過對(duì)Linux內(nèi)核內(nèi)部進(jìn)行改造來滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用需求。在時(shí)鐘精度方面，KURT-Linux將Linux的時(shí)鐘中斷固定模式改為單次觸發(fā)模式(one-shot mode)，即每次給時(shí)鐘芯片設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間，然后等到該超時(shí)事件發(fā)生，在時(shí)鐘中斷處理過程中再次根據(jù)需要設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間。通過這種變長時(shí)鐘模式，將Linux時(shí)鐘精度提高到μs級(jí)。既保證了特定實(shí)時(shí)任務(wù)的精度要求，又避免了不必要的調(diào)度負(fù)擔(dān)。

　　RT-Linux是新墨西哥工學(xué)院研制的一個(gè)基于Linux的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。它采用雙內(nèi)核方法，在原有Linux基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)專門處理實(shí)時(shí)進(jìn)程的內(nèi)核，然后把整個(gè)Linux作為實(shí)時(shí)內(nèi)核上運(yùn)行的一個(gè)低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程。在時(shí)鐘精度方面類似KURT_Linux，將系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置為單次觸發(fā)狀態(tài)，然后利用TSC提供高達(dá)CPU時(shí)鐘頻率的定時(shí)精度。

　　Monta Vista Linux是由James Ready領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的嵌入式Linux，通過對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行內(nèi)部改造，直接修改原有Linux內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等來滿足實(shí)時(shí)需要。在高精度時(shí)鐘方面，拋開傳統(tǒng)的周期中斷CPU的方法，使定時(shí)器在需要的任何一個(gè)μs產(chǎn)生中斷，但不在每個(gè)μs產(chǎn)生中斷，將系統(tǒng)的定時(shí)精度提高到μs級(jí)。

　　Linux-SRT是劍橋大學(xué)David Ingram的博士論文項(xiàng)目，它簡單地修改了Linux中Hz的定義，將Linux時(shí)鐘頻率由100 Hz提高到1 024 Hz。這種方式實(shí)現(xiàn)起來很簡單，但是由此帶來頻繁的定時(shí)中斷使得系統(tǒng)開銷很大。

　　借鑒KURT-Linux的one-shot思想來提高時(shí)鐘精度，并利用高級(jí)可編程中斷控制器(APIC)[4]或通過附加的硬件資源實(shí)現(xiàn)一個(gè)與系統(tǒng)時(shí)鐘并行的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘，在系統(tǒng)中維護(hù)一個(gè)高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一個(gè)低精度系統(tǒng)時(shí)鐘[5-7]，是一種普遍采用的提高時(shí)鐘精度的方法。但是在缺乏附加硬件支持或APIC使用受限的應(yīng)用環(huán)境下，只能利用PIT芯片作為高精度時(shí)鐘源，在每次中斷處理時(shí)要重新計(jì)算下一次中斷時(shí)間和對(duì)PIT進(jìn)行編程。由于PC的兼容性，PIT芯片位于低速的ISA總線上，頻繁設(shè)置定時(shí)器硬件也需要耗費(fèi)大量的時(shí)鐘周期。因此one-shot模式時(shí)鐘中斷處理時(shí)間可能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)Linux時(shí)鐘中斷處理時(shí)間的7~15倍[8-9]。在強(qiáng)周期應(yīng)用或有大量定時(shí)器集中在某個(gè)時(shí)段內(nèi)時(shí)超時(shí)，需要采取一種不同于one-shot的時(shí)鐘模式。

　　如果系統(tǒng)中沒有任何實(shí)時(shí)定時(shí)器，則系統(tǒng)每隔1 ms會(huì)有一次周期性jiffies時(shí)鐘中斷，采用one-shot模式使得系統(tǒng)性能下降大約1.5%。如果系統(tǒng)中沒有任何實(shí)時(shí)定時(shí)器，則需要重新將時(shí)鐘設(shè)置為RTL CLOCK MODE PERIODIC工作模式，并且時(shí)鐘周期和標(biāo)準(zhǔn)Linux下時(shí)鐘周期一致，使Linux能在系統(tǒng)中不存在實(shí)時(shí)任務(wù)的情況下高效地工作。