嵌入式Linux實(shí)時(shí)優(yōu)化技巧解析

　嵌入式系統(tǒng)是在有限的空間和有限的資源中運(yùn)行，高效地實(shí)現(xiàn)某種特定功能或功能集合的裝置。
　　它的開發(fā)通常受到很多客觀條件的限制，諸如較弱的CPU處理能力、較小的內(nèi)存空間、較少的可供選擇的外設(shè)、有限的電源供應(yīng)等。每個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)無不是精打細(xì)算，以求用有限的資源發(fā)揮最大的功效。在各種嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)中，嵌入式Linux以其免費(fèi)、高可靠性、廣泛的硬件支持以及開放源碼等眾多特性正在獲得越來越多的關(guān)注。其源碼開放特性使得開發(fā)者可以針對(duì)特定的嵌入式系統(tǒng)對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行修改，以滿足開發(fā)要求，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化的目的。嵌入式Linux應(yīng)用中的一大問題是Linux的實(shí)時(shí)性問題。實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須在限定時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件作出正確響應(yīng)，重點(diǎn)放在對(duì)滿足突發(fā)性、暫時(shí)性的處理需求上。而Linux作為傳統(tǒng)的分時(shí)操作系統(tǒng)，關(guān)注更多的是系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)吞吐量。如何提高Linux的實(shí)時(shí)性能是擺在廣大嵌入式系統(tǒng)級(jí)開發(fā)人員面前的挑戰(zhàn)。
　　1 相關(guān)研究
　　目前市面上有各種Linux發(fā)行版，但嚴(yán)格來說，Linux指的是Linus Torvalds維護(hù)的（及通過主要和鏡像網(wǎng)站發(fā)布的）內(nèi)核。建立嵌入式系統(tǒng)不需要特別的內(nèi)核，一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)只是代表一個(gè)基于Linux內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)，本文后面提及的Linux均指Linux內(nèi)核。目前已有很多改善Linux實(shí)時(shí)性能的工作在進(jìn)行中。最新的2.6版Linux已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可搶占式的內(nèi)核任務(wù)調(diào)度，但是不確定的中斷延時(shí)問題沒有得到解決。即2.6版的Linux高優(yōu)先級(jí)內(nèi)核空間進(jìn)程雖然能像在用戶空間里那樣搶占低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的系統(tǒng)資源，但是從中斷發(fā)出開始到中斷服務(wù)程序的第1條指令開始執(zhí)行的時(shí)間是不確定的。
　　除了Linux開發(fā)者的改進(jìn)工作之外，還有一些組織、公司為提高Linux的實(shí)時(shí)性做了大量工作。其中有代表性的是Fsm Labs公司的RT-Linux、Monta Vista公司的MontaVista Linux、由Paolo Mantegazza等人維護(hù)的RTAI（Realtime Application InteRFace）項(xiàng)目。這些項(xiàng)目采用的方法可歸納為兩類：
　?。?）直接修改Linux內(nèi)核。MontaVista Linux采用的就是這種方法。它將Linux修改成稱為Relatively Fully Preemptable Kernel的可搶占式內(nèi)核，并使現(xiàn)了實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制和算法，增加了一個(gè)細(xì)粒度定時(shí)器，這樣就將Linux修改成為一個(gè)軟實(shí)時(shí)內(nèi)核。
　　（2）“雙內(nèi)核”方式。RTAI項(xiàng)目和RT-Linux采用了這種方法。這種方法將傳統(tǒng)Linux“架空”，作為新增加的小型實(shí)時(shí)內(nèi)核的一個(gè)優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)執(zhí)行，而實(shí)時(shí)任務(wù)則作為優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。即在實(shí)時(shí)任務(wù)存在的情況下運(yùn)行實(shí)施任務(wù)，否則才運(yùn)行Linux本身的任務(wù)。
　　MontaVista和RT-Linux的局限性在于它是一個(gè)商用軟件，不遵循GNU 的源代碼開放原則。若要在系統(tǒng)中使用這種Linux，則需要支付一筆頗為可觀的授權(quán)費(fèi)用，這就違背了使用Linux的初衷—— 開源、免費(fèi)，能夠發(fā)展自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
　　RTAI為了實(shí)時(shí)性能舍棄了Linux固有的很多優(yōu)點(diǎn)：對(duì)大量硬件的廣泛支持，優(yōu)秀的穩(wěn)定性、可靠性。開發(fā)者一方面要針對(duì)RTAI自定義的一個(gè)硬件抽象層RTHAL（Real Time Hardware Abstraction Layer）重新編寫驅(qū)動(dòng)程序，而且龐大的Linux開發(fā)社區(qū)的成果也無法方便地應(yīng)用到實(shí)時(shí)核心中。
　　2 影響Linux實(shí)時(shí)性的因素
　　2.1 任務(wù)切換及其延時(shí)
　　任務(wù)切換延時(shí)是Linux從一個(gè)進(jìn)程切換到另一個(gè)進(jìn)程所需的時(shí)間，即高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程從發(fā)出CPU 資源申請(qǐng)到進(jìn)程的第1條指令開始執(zhí)行的間隔。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，任務(wù)切換延時(shí)必須越短越好。如之前所提到的，Linux 2.6.X已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可搶占式內(nèi)核，高優(yōu)先級(jí)內(nèi)核空間進(jìn)程可以像在用戶空間中那樣讓CPU在任何時(shí)候停止低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程轉(zhuǎn)而執(zhí)行自己。但是有2種例外情況：
　　（1）進(jìn)程在臨界區(qū)（Critical Section）中執(zhí)行的時(shí)候不能被其他進(jìn)程搶占；
　?。?）中斷服務(wù)程序（Interrupt Service Routine）不能被其他進(jìn)程搶占。
　　2.2 基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法
　　在Linux 2.6中，采用了O（1）調(diào)度算法。它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的搶先式調(diào)度器，為每一個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)唯一的優(yōu)先級(jí)，調(diào)度器保證在所有等待運(yùn)行的任務(wù)中，首先被執(zhí)行的總是高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，為此高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能夠搶占低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。
　　這個(gè)調(diào)度器開銷恒定，與當(dāng)前系統(tǒng)開銷無關(guān)，能夠改善系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。但是調(diào)度系統(tǒng)沒有提供除CPU以外的其他資源剝奪運(yùn)行，實(shí)時(shí)性能沒有得到根本改觀。如果兩個(gè)任務(wù)需要使用同一個(gè)資源（如高速緩存），高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)已準(zhǔn)備就緒，而此刻低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)正在用這個(gè)資源，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就必須等待，直到低優(yōu)先級(jí)任務(wù)結(jié)束釋放了該資源后才能被執(zhí)行，這被稱為優(yōu)先級(jí)倒置。
　　2.3 中斷延時(shí)、中斷服務(wù)程序
　　中斷延時(shí)指的是從外設(shè)發(fā)出中斷信號(hào)開始到ISR的第1條指令開始執(zhí)行的時(shí)間間隔。由外部中斷引起的實(shí)時(shí)任務(wù)需求是實(shí)時(shí)系統(tǒng)處理量的主要組成部分，足夠快地中斷響應(yīng)和迅速地中斷服務(wù)程序處理是衡量實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。不同的ISR執(zhí)行時(shí)間是不一樣的，即使是相同的ISR也可能因?yàn)橛卸鄠€(gè)出口而有不同的執(zhí)行時(shí)間。而ISR執(zhí)行時(shí)外部中斷是被禁用的，造成這樣一種情況，即使Linux的中斷延時(shí)非常小，如果在一個(gè)ISR執(zhí)行時(shí)某個(gè)外設(shè)也產(chǎn)生了一個(gè)中斷信號(hào)，因?yàn)檎趫?zhí)行的ISR運(yùn)行時(shí)間的不確定性和不可搶占性，也會(huì)產(chǎn)生Linux的中斷延時(shí)的不可預(yù)測(cè)性。
　　3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的提高
　　3.1 任務(wù)切換機(jī)倒的建立
　　在2.1節(jié)中提到進(jìn)程在臨界區(qū)中執(zhí)行的時(shí)候不能被搶占的問題，為了不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、減少調(diào)試和測(cè)試的時(shí)間，我們不打算對(duì)此進(jìn)行修改，而引入一個(gè)機(jī)制保證實(shí)時(shí)任務(wù)能夠得到優(yōu)先執(zhí)行。即在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，只有當(dāng)進(jìn)程的臨界區(qū)能在下一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)開始之前結(jié)束才被允許進(jìn)入。
　　如何判斷下一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)中斷信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間，一般來說中斷信號(hào)是為了那些開始時(shí)間不可預(yù)測(cè)的任務(wù)而設(shè)定的，它的產(chǎn)生是完全隨機(jī)的。為了使中斷信號(hào)的時(shí)間能夠被預(yù)測(cè)，將中斷信號(hào)的產(chǎn)生與時(shí)鐘中斷掛鉤：中斷信號(hào)只能與時(shí)鐘中斷同時(shí)產(chǎn)生。時(shí)鐘中斷由系統(tǒng)計(jì)時(shí)硬件以周期性間隔產(chǎn)生。這個(gè)間隔由內(nèi)核根據(jù)Hz值設(shè)定。Hz是一個(gè)與體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，在文件中定義。當(dāng)前的Linux為大多數(shù)平臺(tái)定義的Hz值是100，亦即時(shí)鐘中斷周期是10ms。顯然這是達(dá)不到實(shí)時(shí)系統(tǒng)定時(shí)精度要求的。提高Hz值能夠帶來系統(tǒng)性能提升，但卻是以增加系統(tǒng)開銷為代價(jià)。這就必須仔細(xì)權(quán)衡實(shí)時(shí)性要求和系統(tǒng)開銷的平衡。一種方法是通過大量的測(cè)試確定的實(shí)時(shí)任務(wù)中斷請(qǐng)求發(fā)生的時(shí)間間隔和進(jìn)程在臨界區(qū)中的執(zhí)行時(shí)間，取一個(gè)稍大于大多數(shù)實(shí)時(shí)任務(wù)中斷間隔和臨界區(qū)執(zhí)行時(shí)間的數(shù)值。