Linux分时操作系统的实时性分析

一、引言

Linux本身为分时操作系统，其系统目标为较好的平均响应时间和较高的吞吐量，而实时系统则主要考虑任务的按时完成、尽量减少进程运行的不可预测性等。但与商业嵌入式操作系统相比Linux遵循GPL，具有源代码开放、定制方便、支持广泛的计算机硬件等优点，所以，近年来嵌入式Linux成为嵌入式系统方向上的一个研究热点。

本文首先分析了实时系统的特点和Linux内核在实时应用方面的不足，然后针对影响操作系统实时性能的若干方面进行研究，提出解决方案，最后总结全文。

二、实时系统的分类

实时系统最重要的特点就是实时性，即系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果的正确性，还取决于输出结果时间的及时性。从这个角度看，实时系统是“一个能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部环境做出响应的系统”。按对实时性能要求的程度，实时系统可分为两类：

(1) 硬实时系统：要求可确定性强，具有明确的实时约束，在某个限定的时刻之前不能完成任务将造成灾难性的后果。

(2) 软实时系统：也对时间敏感，但偶尔发生不能满足严格实时要求的情况也是允许的。

三、Linux在实时方面存在的不足

Linux虽然符合POSIX1003.1b关于实时扩展部分的标准，例如：支持SCHED_FIFO和SCHED_RR实时调度策略，锁内存机制(memorylocking)，实时信号等功能，但是由于其最初的设计目标为通用分时操作系统，因此作为一个实时操作系统，Linux仍然存在如下缺陷：

(1) Linux的内核本身是非抢占的。Linux下分用户态和核心态两种模式，当进程运行在用户态时，可被优先级更高的进程抢占，但当它进入核心态时，其他用户态进程优先级再高也不能抢占它。

(2) Linux虽然给实时进程提供了较高的优先级，但是没有加入时间限制。例如：完成的最后期限、应在多长时间内完成、执行周期等等。同时，其他大量的非实时进程也可能对实时进程造成阻塞，无法确保实时进程的响应时间。

(3) 时钟粒度粗糙。时钟管理是操作系统的脉搏，任务的执行和中止在很多情况下都是由时钟直接或间接唤起的，它还是进程调度的重要依据。Linux的周期模式定时器频率仅为100Hz，远不能满足实时应用的要求。

四、改进内核实时性的分析与研究

从中断软件模拟、可抢占式内核体系结构、实时任务的调度策略这三个方面对嵌入式Linux内核进行研究，并给出了相应的提高实时性的方法。

1. 响应时间的分析及解决方法

任务的响应时间被定义为一个事件的发生和任务响应这一事件开始执行之间的间隔时间，通常有以下几个因素影响任务的响应时间。

(1) 中断分配时间IDT（interruptdispatchtime）：当一个中断产生时，在调用中断处理程序占用CPU以前，操作系统用来保存所有的寄存器中的内容和系统中其他的关于这一任务状态的时间。

(2) 中断服务时间：IST（interruptservicetime）：中断服务程序用来从硬件设备读取信息或从操作系统收集信息所用的时间。

(3) 内核抢占时间KPT（kernelpreemptiontime）：在操作系统意欲抢占当前进程与抢占实际上发生之间的时间间隔。

(4) 调度延迟SD（scheduledelay）：调度程序用来调度另一个线程投入运行的时间。

(5) 进程切换时间CST（contestswitchingtime）：当前线程用来保存寄存器和系统状态的时间与将要运行的线程恢复寄存器中的内容和系统状态的时间总和。

(6) 系统调用返回时间RST（returnfromsystemcall）：处于内核态的线程在它返回用户态之前检查一些状态所用的时间。

以上这些时间中，SD、CST和RST总是固定不变的，如果Linux内核设计得当的话，IDT、IST和KPT可以有效的减少。在实时应用的环境中，若干个中断同时发生的情况是完全可能存在的。这时任务的响应时间最多将包含N(IDT+IST)，N为中断数。

中断软件模拟被用来解决多个中断同时发生的情形。当一个硬件中断发生时，系统只是简单的在时间表中报告这一时间的发生，然后立即将CPU的控制权返回给操作系统，完全略过了查中断向量表并执行相应的中断服务程序。系统在Linux内核之前截获了所有应中断信号，并根据当前实时任务的需要，由软中断模拟机制处理或挂起该中断（例如：IBMPC中的8259中断控制器）。

采用这个方法，可以减少当多个中断同时发生时任务的响应时间，最长的延迟时间为N*IST’，其中N为中断数。在这里之所以是IST’，而不是IST，是因为采用软中断软件模拟的方法使得在IST时间段内只执行一些简单的操作。

2. 抢占式内核体系结构的设计

为了解决Linux实现硬实时的最大障碍，使Linux内核成为完全可被抢占实时内核，典型的实现方案是双核结构。使用实时核来运行实时任务，Linux内核来运行非实时任务。例如：对于实时数据采样分析而言，利用实时内核运行一个实时任务来完成数据采集，另一个实时任务完成数据分析和控制输出功能；同时利用Linux内核上运行的界面来进行数据显示。如图1所示。