Linux轉換為實時操作系統(tǒng) - 全文

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　　做為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的解決方案，Linux在眾多通用操作系統(tǒng)中具有獨一無二的優(yōu)勢。

　　首先，Windows和Solaris等專有商業(yè)操作系統(tǒng)的剪裁受到商家的嚴格控制。這大大限制了開發(fā)者的剪裁深度。而Linux遵循GPL協(xié)議，開放所有系統(tǒng)源代碼，非常易于剪裁。

　　其次，同其它開放源碼的通用操作系統(tǒng)(如FreeBSD)相比，Linux在多種處理器、開發(fā)板支持和軟件開發(fā)工具支持上有很強的優(yōu)勢。

　　Linux最初也是作為通用操作系統(tǒng)而設計開發(fā)的，但提供了一些實時處理的支持。這包括支持大部分POSIX標準中的實時功能，支持多任務、多線程，具有豐富的通信機制等。

　　Linux還提供符合了POSIX標準的調度策略，包括FIFO調度策略、時間片輪轉調度策略和靜態(tài)優(yōu)先級搶占式調度策略。其默認的調度策略是第三種。Linux還提供了內存鎖定功能，以避免在實時處理中存儲頁被換出，也提供了符合POSIX 標準的實時信號機制。

　　一個致命問題是，Linux在用戶態(tài)支持可搶占調度策略，而在核心態(tài)卻不支持搶占式調度策略。這樣運行在Linux核心態(tài)的任務(或系統(tǒng)調用)是不能被其它優(yōu)先級更高的任務所搶占的，這樣就會引起優(yōu)先級逆轉問題。另外，Linux操作系統(tǒng)的中斷處理句柄是不可調度的，不能依優(yōu)先級高低調度。而在實時系統(tǒng)中，卻希望中斷處理句柄同實時任務一樣，可以有優(yōu)先級來被系統(tǒng)的調度程序所調度。

　　此外，我們還關心和任務響應時間相關的時鐘精度，以及由于資源共享而帶來的優(yōu)先級逆轉問題。Linux中硬件時鐘中斷的默認時間間隔是10ms，所有的軟件時鐘都是靠硬件來觸發(fā)的。而簡單同步機制(互斥)不支持優(yōu)先級繼承又很可能導致優(yōu)先級逆轉。

　　獨立核方法

　　Linux作為實時系統(tǒng)的獨立核方法是指設計一種完全獨立的實時核心，但其API 與Linux核心相兼容。這種方法的理論基礎是一款優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)必須在其設計之初就充分考慮到系統(tǒng)實時性的要求，并能夠提供符合標準的API。這種實現(xiàn)方法對很多與POSIX 兼容的專有實時系統(tǒng)提供商很有吸引力。

　　這種方法的局限性是由于設計了一個完全獨立的實時核心而沒有使用原有Linux核心，導致Linux系統(tǒng)的一些優(yōu)勢難以繼承，尤其是與Linux核心相關的一些優(yōu)勢無法獲得。比如Linux核心對大量硬件的廣泛支持，Linux核心超群的可靠性、穩(wěn)定性等。另外，由于這種方法并沒有通過修改Linux核心代碼來開發(fā)實時核心，而是在Linux系統(tǒng)之上重新設計了一個實時核心，這樣的開發(fā)并不要求源代碼開放。因此，Linux一些基于開放源代碼的優(yōu)勢也勢必受損。最后一點，任何基于Linux核心的開發(fā)成果也無法方便地應用到實時核心中。

　　當然這種實現(xiàn)方法也從Linux系統(tǒng)中得到了很多好處。由于Linux系統(tǒng)的支撐，實時核心就并不需要“真”的去實現(xiàn)。而且熟悉Linux系統(tǒng)的開發(fā)人員也可以很快地熟悉這種方法開發(fā)出的實時系統(tǒng)。人們也會自然地想到用Linux系統(tǒng)做嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)平臺。此外，如果這種實時系統(tǒng)的API是Linux系統(tǒng)API子集的話，我們還可以只在Linux主機上仿真，進行應用程序的開發(fā)和調試，免去了遠程調試之苦!

　　與Linux API的兼容程度是評估這類實時系統(tǒng)的一個重要指標。如果一個實時系統(tǒng)兼容了所有Linux API，那么就允許所有Linux上的應用程序和庫在其上運行使用。因此，這將會帶來一個巨大的好處，所有在Linux上可用的第三方軟件均可以在其上使用。當然，開發(fā)一款這樣兼容所有Linux API的實時系統(tǒng)決不是件容易的事，尤其是對于單個開發(fā)商來說。

　　所以，大量的第三方軟件并不能很容易地移植到實時系統(tǒng)中來，這點不足，也使Linux的優(yōu)勢大打折扣!

　　雙核方法

　　這種方法在同一硬件平臺上采用了兩個相互配合，共同工作的系統(tǒng)核心，一個核心提供精確的實時多任務管理，另一個核心提供復雜的非實時通用功能。

　　這種方法是通過在Linux操作系統(tǒng)的最底層增加一層實時核心層來實現(xiàn)的。實時核心負責硬件管理并提供實時任務管理。實時核心還用軟件“模擬”常規(guī)Linux系統(tǒng)對底層硬件的使用/禁止中斷，而不是真正的操作中斷控制寄存器。Linux核心被看做實時核心中優(yōu)先級最低的任務來調度，只有當沒有可運行的實時任務時Linux核心才被調度。

　　這種方法的一個關鍵所在是運行在常規(guī)Linux核心上的所有非實時任務必須是支持可搶占式調度的。這樣才能做到對實時核心提供精確實時保證沒有任何影響。由于實時核心非常小，并不會增加整個系統(tǒng)的負載，所有這些對開發(fā)實時性要求嚴格的實時軟件都提供了有力保障。

　　這種方法的弊端在于實時任務的開發(fā)是直接面向提供精確實時服務的小實時核心的，而不是功能強大的常規(guī)Linux核心。因此，實時任務是運行在系統(tǒng)核心層的，這就意味著這些實時任務可以運行在沒有內存保護的級別之上。所以，一個實時任務的錯誤可能會導致整個系統(tǒng)的癱瘓!更要命的是，這些實時任務的開發(fā)由于面對的是小的實時核心，而不能直接利用Linux API和第三方軟件及運行庫。

　　這種開發(fā)模式暗示我們必須要對應用進行靜態(tài)分解。把它分解成實時部分和非實時部分。在大多情況下，這是件好事情。它迫使開發(fā)人員將應用系統(tǒng)分解成實時子系統(tǒng)和非實時子系統(tǒng)兩部分。但很顯然，使用這種開發(fā)模式也限制了應用的類型!因為，這種用二元論觀點看待實時系統(tǒng)的方法并不適合所有的應用。在一些應用中，實時部分和非實時部分的界線并不是十分分明，期間可能存在著不同程度的軟實時部分。

　　這種方法的另一個不足之處是，開發(fā)模式混合了實時應用的兩個不相干維度――功能需求和實時需求。它要求應用的實時需求必須限制于由實時核心提供的功能需求限度以內。而實時核心提供的功能支持非常有限。當然我們也可以擴展實時核心的功能，比如增加實時網(wǎng)絡功能等。然而，新增加的部分很有可能會重疊Linux核心已有功能，而導致了不必要的系統(tǒng)“膨脹”，并折損這種方法的價值。 修改核方法

　　這種方法是基于已有Linux系統(tǒng)對實時軟件開發(fā)的支持，進行源代碼級修改而使Linux變成一個真正的實時操作系統(tǒng)。這種方法也是和Linux哲學相吻合的。任何基于Linux核心源代碼修改的產(chǎn)品，都要遵循GPL 協(xié)議，對所有軟件人員開放源代碼。一旦很多人認為它是有用的，就會有人對它進行維護，或者是混合在通用Linux核心中，或者是單獨分出一個實時Linux分支。

　　這種方法的中心原則是精心選擇部分改動，就可以滿足一系列相關Linux實時開發(fā)。此外，由于這些改動都是相對局部的，不會從根本上改變Linux的核心。而且一些改動還可以通過常規(guī)Linux的可加載模塊方式完成。在需要時系統(tǒng)可以動態(tài)加載該功能模塊，在不需要時還可以動態(tài)卸載該模塊。

　　比如，修改之一是核心搶占式調度。把核心從非搶占式變成搶占式是結構上的大變動，并可能引起很多問題，但很多問題已經(jīng)在Linux支持SMP 的時候解決了。因此，核心的搶占式修改就可以簡單地利用SMP 掛鉤。另一個修改點是前面提到過的使中斷處理句柄可調度。還有一些修改是全局的，例如修改系統(tǒng)時鐘服務來提供更高精度的“心跳”，而不增加不必要的系統(tǒng)負載，或者是提供在核心實現(xiàn)互斥機制來支持優(yōu)先級繼承。

　　資源核方法

　　這種方法是為解決傳統(tǒng)實時操作系統(tǒng)中固定優(yōu)先級搶占式調度策略的局限性而產(chǎn)生的。固定優(yōu)先級搶占式調度算法沒有任務間的臨時保護。因此，可預見的任務響應時間依賴于對所有更高優(yōu)先級任務執(zhí)行時間的預測。在這樣的系統(tǒng)中，可預見性是與全局相關的，并且可能被一個糟糕任務而影響的。此外，這種用靜態(tài)觀點看待實時系統(tǒng)也是不妥的。在很多實時應用中，更希望實時系統(tǒng)可以根據(jù)應用程序獲得資源動態(tài)地調整任務屬性，以求得到最優(yōu)效果。

　　資源核方法是一種以資源為中心來指導實時核心提供精確的、有保證的、可搶占的獲取系統(tǒng)資源的方法。只要實時應用所需資源可以由核心后臺資源管理程序調配滿足，實時核心是允許實時應用可配置的。因此，實時核心其實是提供了實時應用可構建的基礎――從配置簡單的實時系統(tǒng)到復雜的實時系統(tǒng)，都可以通過動態(tài)地改變實時任務屬性和它們在整個系統(tǒng)中的優(yōu)先級來滿足。

　　這種方法的最大優(yōu)點是系統(tǒng)具有很好的健壯性、可精確預見的實時性。另一個優(yōu)點是允許應用程序根據(jù)實際情況動態(tài)調整自身屬性。此外，這種方法非常適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。