嵌入式Linux操作系统实时性的分析

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。

图1 双内核结构

在Linux内核和硬件之间加个小的实时核，由它管理中断，提供一些必要的功能，如底层任务创建、中断服务程序，并且为底层任务、ISR和Linux进程之间进行通信排队；而Linux内核本身则成为优先级最低的Idletask。

对实时性要求强的应用编写成实时任务，在实时内核上直接运行。Linux内核可以被优先级更高的实时任务抢占。对于Linux内核的修改主要集中在三方面：(1) 在Linux内核中影响实时性的地方增加控制点，使内核在控制点可以被抢占，减少内核抢占延迟；(2) 将执行时间较长的系统划分为几个甚至是十几个较小的块分别执行，使实时任务随时中断非实时任务；(3) 根据实际需要，增加部分功能。

随着嵌入式应用的深入，特别是在数字通信和网络中的应用，多核结构的处理器也陆续上市。如：Motorola公司研发的MPC8260PowerQUICC||融合了两个CPU-嵌入式PowerPC内核和通信处理模块（CPM）；Infineon公司推出的TC10GP和增强型TC1130都是三核（TriCore）结构的微处理器，这些处理器的产生对于Linux应用中的实时性都大有帮助。

3. 实时调度的算法研究

常用的实时调度算法有：基于优先级的调度算法（priority-drivenscheduling，PD）；基于时间驱动的调度算法（time-drivenscheduling，TD）；基于比例共享的调度算法（share-drivensched2uling，SD）。基于优先级的调度算法 调度器以优先级作为寻求下一个任务执行的依据。可分为如下两种类型：

(1) 静态优先级调度算法：该算法给系统中所有进程都静态的分配一个优先级。静态优先级的分配可以根据应用的属性来进行，例如任务的周期、用户优先级或者其他预先确定的策略。RM（RateMonotonic）是一种典型的静态优先级调度算法，它根据任务执行周期的长短来决定调度优先级，执行周期小的任务具有较高的优先级。

(2) 动态优先级调度算法：这种算法根据任务的资源需求来动态的分配任务的优先级。EDF（earliestdeadlinefirst）算法是一种典型的动态优先级调度算法，该算法根据就绪队列中各个任务的截止期限来分配优先级，具有最近截止期限的任的优先级最高。

基于时间驱动的调度算法

该算法本质上是一种设计时就确定下来的离线的静态调度方法。在系统的设计阶段，在明确系统中所有处理的情况下，对于各个任务的开始、切换以及结束时间等事先组出明确的安排和设计。

基于比例共享的调度算法

这是一种越来越受到关注的实时调度模式，基于GPS（generalprocessorscheduling）的算法，其基本思想就是按照一定的权重（CPU使用的比例）对一组需要调度的任务进行调度，使其执行时间与权重完全成正比。可以通过两种方法来实现比例共享调度算法：(1)是调节各个就绪进程出现在当前调度队列队首的频率，并调度队首的进程执行；(2)是逐次调度就绪队列中的各个进程投入运行，但根据分配的权重调节分配给每个进程的运行时间片。比例共享算法包括轮转法、公平共享法、公平队列法和彩票调度法等几类。
每一种调度策略都有自己的优越性和不足。在这里我们提出了一种宏观调度结构，通过设计和构造多属性和多调度器的选择机制，使三种实时调度策略的应用都得到支持，相对于只对单种调度策略提供支持的方案，拓展了系统的可使用范围。宏观调度结构如图2所示。

图2 宏观调度结构

我们给每一个实时任务定义了4个调度属性：priority（优先级：限制该任务比相关联的其他任务的优先权）、starttime（起始时间：任务开始执行时间）、finishtime（截止时间：任务停止时间）和budget（预设值：任务允许执行时间），不同属性的数据对应不同的调度策略。宏观调度结构分为两个模块：属性分配模块和调度器选择模块。属性分配模块给每一个实时任务分配多个属性值，并通过其中的一两个属性值决定哪个属性优先，这样调度器选择模块就可以根据属性的优先级别选择不同的调度器。例如：如果优先级属性优先，则调度器就变成了一个纯粹的PD调度器；如果截止时间优先，那么调度器就作为EDF调度器来工作。

实验时采用Pentium-||400处理器，128MB内存，运行环境Linux2.0.35（以RED-Linux0.5为补丁），以RM调度策略为例，分别测量每一次系统请求消耗的时间。数据整理如下：宏观调度结构下属性分配模块消耗的时间大部分不到40Ls，平均约35Ls，调度器选择模块