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嵌入式操作系统Linux实时化技术研究

2013-12-19 11:16
Timeless落尘
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  Linux支持PowerPC、MIPS、ARM、DSP等多种嵌入式处理器,逐渐被用于多种关键性场合。其中实时多媒体处理、工业控制汽车电子等特定应用对Linux提出了强实时性需求。Linux提供了一些实时扩展,但需要进行实时性改造。本文针对嵌入式Linux实时化技术中的一些关键问题进行了讨论,如Linux内核时延,实时化主流技术方案及其评价等。

  Linux内核时延

  主流Linux虽然部分满足POSIX 1003.1b实时扩展标准,但还不完全是一个实时操作系统,主要表现为:

  * 任务调度与内核抢占

  2.6版本内核添加了许多抢占点,使进程执行在内核代码时也可被抢占。为支持内核代码可抢占,在2.6版内核中通过采用禁用中断的自旋锁来保护临界区。但此时如果有低优先级进程在临界区中执行,高优先级进程即使不访问低优先级所保护的临界区,也必须等待低优先级进程退出临界区。

  * 中断延迟

  在主流Linux内核设计中,中断可以抢占最高优先级的任务,使高优先级任务被阻塞的最长时间不确定。而且,由于内核为保护临界区需要关闭中断,更加增长了高优先级任务阻塞时间。

  * 时钟精度

  Linux通过硬件时钟编程来产生毫秒级周期性时钟中断进行内核时间管理,无法满足实时系统较高精度的调度要求。内核定时器精度同样也受限于时钟中断,无法满足实时系统的高精度定时需求。

  * 其他延迟

  此外,Linux内核其他子系统也存在多种延迟。比如为了增强内核性能和减少内存消耗,Linux仅在需要时装载程序地址空间相应的内存页。当被存取内容(如代码)不在RAM中则内存管理单元(MMU)将产生页表错误(Page-Fault)触发页面装载,造成实时进程响应时间不确定。

  Linux实时化技术发展

  主流Linux内核1.x、2.2.x和2.4.x版本的Linux内核无抢占支持,直到2.6版本的Linux内核才支持可抢占内核,支持临界区外的内核抢占和可抢占的大内核锁。在此基础上,Linux采用了下列两类实时化技术。

  * 双内核方式

  Linux内核实时化双内核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等为典型代表。其中RT-Linux实现了一个微内核实时操作系统支持底层任务管理、中断服务例程、底层任务通信队列等。普通Linux作为实时操作系统的最低优先级任务,Linux下的任务通过FIFO命名管道和实时任务进行通信,如图1所示。

嵌入式操作系统Linux实时化技术研究

图1 双内核架构的Linux实时化技术

  当Linux要关闭中断时,实时微内核会截取并记录这个请求,通过软件来模拟中断控制器,而没有真正关闭硬件中断,避免了由于关中断所造成的响应延迟。RT-Linux将系统实时时钟设置为单次触发模式,提供微秒级的时钟精度。RTAI类似RTLinux的实现方式,不同之处在于它修改了体系结构相关代码,形成一个实时硬件抽象层(RTHAL),使其实时任务能在任何时刻中断普通Linux任务,两者之间通过非阻塞队列进行通讯。RTAI将直接修改Linux内核的代码减至最少,具有更好的可移植性。Xenomai以RTAI为基础,也称RTAI /Fusion。采用了Adeos微内核替代RTAI的硬件抽象层。其特色还在于模仿了传统RTOS的API接口,推动传统RTOS应用在GNU/Linux下的移植。类似还有基于Fiasco微内核的L4Linux等开源项目。

  * 内核补丁方式

  双内核实时方案下,实时任务需要按照微内核实时操作系统提供的另外一套API进行设计。而内核补丁方式则不改变Linux的API,原有应用程序可在实时化后的操作系统上运行,典型的有早期研究性的Kurt-Linux和Red-Linux,商业版本的MontaVista 、TimeSys 和Wind River Linux,以及现阶段Ingo Monlnar等人开发的实时抢占补丁内核等。

  Kurt-Linux是第一个基于普通Linux的实时操作系统。通过正常态、实时态和混合态进行实时和非实时任务的划分。RED-Linux通过任务多种属性和调度程序,可以实现多种调度算法。采用软件模拟中断管理,并在内核插入了许多抢占点,提高了系统调度精度。

  MontaVista Linux在低延迟补丁以及可抢占内核补丁基础上,通过开发内核O(1)实时调度程序并对可抢占内核进行了改进和测试,Linux 2.4内核时代MontaVista Linux 作为商业成熟产品在实时性上有较强的优势。TimeSys Linux通过内核模块的方式也提供了高精度时钟、优先级继承mutex等支持。

  2.6版本的主流内核吸收了以上技术,支持CONFIG_PREEMPT_NONE,CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY和CONFIG_PREEMPT等多种配置选项。分别适合于计算型任务系统,桌面用户系统和毫秒级延迟嵌入式系统。2005年,针对2.6内核MontaVista推出了实时Linux计划,推进了Linux内核实时化进程。随后Ingo Molnar发布了新的实时抢占补丁,并逐渐成为Linux内核实时主流技术,也为包括MontaVista Linux,Wind River Linux采用和补充,本文后续内容这要涉及实时抢占补丁。

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