淺談嵌入式Linux實時技術(shù)改進

1、簡介
　　隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為計算機應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要的組成部分。Linux雖然為分時操作系統(tǒng)，但由于其功能強大、源代碼開放以及可移植性強等優(yōu)勢，已成為日益流行的嵌入式實時操作系統(tǒng)的解決方案，然而，在實時方面它還不能很好地滿足實時系統(tǒng)方面的需要，其本身僅僅提供了一些實時處理的支持。為使Linux滿足實時應(yīng)用的要求，常用的方法是通過對Linux的內(nèi)核進行裁減和修改，使其能夠滿足實時性的要求。目前，我們根據(jù)實際需要對于Linux采用以下方法進行改進。
　　2、實現(xiàn)低延遲
　　使用兩種方法來實現(xiàn)低延遲：一種就是鎖分解，即把大循環(huán)中保持的鎖分解為每一輪循環(huán)中都獲得鎖和釋放鎖，典型的代碼結(jié)構(gòu)示例如下：
　　
　　另一種是增加搶占點，即自愿被搶占。增加搶占點之后：
　　
　　語句cond_resched（）將判斷是否有進程需要搶占當前進程，如果是將立即發(fā)生調(diào)度，這就是增加的搶占點，它支持四種搶占模式：
　?。?）．No Forced Preemption （Server），這種模式等同于沒有使能搶占選項的標準內(nèi)核，主要適用于科學計算等服務(wù)器環(huán)境。
　?。?）．Voluntary Kernel Preemption （Desktop），這種模式使能了自愿搶占，但仍然失效搶占內(nèi)核選項，它通過增加搶占點縮減了搶占延遲，因此適用于一些需要較好的響應(yīng)性的環(huán)境，如桌面環(huán)境，當然這種好的響應(yīng)性是以犧牲一些吞吐率為代價的。
　?。?）．Preemptible Kernel （Low-Latency Desktop），這種模式既包含了自愿搶占，又使能了可搶占內(nèi)核選項，因此有很好的響應(yīng)延遲，實際上在一定程度上已經(jīng)達到了軟實時性。它主要適用于桌面和一些嵌入式系統(tǒng)，但是吞吐率比模式2更低。
　?。?）．Complete Preemption （Real-Time），這種模式使能了所有實時功能，因此完全能夠滿足軟實時需求，它適用于延遲要求為100微秒或稍低的實時系統(tǒng)。
　　實現(xiàn)實時是以犧牲系統(tǒng)的吞吐率為代價的，因此實時性越好，系統(tǒng)吞吐率就越低。
　　3、中斷線程化
　　中斷線程化是實現(xiàn)Linux實時性的一個重要步驟，在Linux標準內(nèi)核中，中斷是最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元，不管內(nèi)核當時處理什么，只要有中斷事件，系統(tǒng)將立即響應(yīng)該事件并執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理代碼，除非當時中斷關(guān)閉。因此，如果系統(tǒng)有嚴重的網(wǎng)絡(luò)或I/O負載，中斷將非常頻繁，后發(fā)生的實時任務(wù)將很難有機會運行，也就是說，毫無實時性可言。中斷線程化之后，中斷將作為內(nèi)核線程運行而且賦予不同的實時優(yōu)先級，實時任務(wù)可以有比中斷線程更高的優(yōu)先級，這樣，實時任務(wù)就可以作為最高優(yōu)先級的執(zhí)行單元來運行，即使在嚴重負載下仍有實時性保證。
　　中斷線程化的另一個重要原因是spinlock被mutex取代。中斷處理代碼中大量地使用了spinlock，當spinlock被mutex取代之后，中斷處理代碼就有可能因為得不到鎖而需要被掛到等待隊列上，但是只有可調(diào)度的進程才可以這么做，如果中斷處理代碼仍然使用原來的spinlock，則spinlock取代mutex的努力將大打折扣，因此為了滿足這一要求，中斷必須被線程化，包括IRQ和softirq。
　　中斷線程化的實現(xiàn)方法是：對于IRQ，在內(nèi)核初始化階段init（該函數(shù)在內(nèi)核源碼樹的文件init/main.c中定義）調(diào)用init_hardirqs（該函數(shù)在內(nèi)核源碼樹的文件kernel/irq/manage.c中定義）來為每一個IRQ創(chuàng)建一個內(nèi)核線程，IRQ號為0的中斷賦予實時優(yōu)先級49，IRQ號為1的賦予實時優(yōu)先級48，依次類推直到25，因此任何IRQ線程的最低實時優(yōu)先級為25。原來的do_IRQ被分解成兩部分，架構(gòu)相關(guān)的放在類似于arch/*/kernel/irq.c的文件中，名稱仍然為do_IRQ，而架構(gòu)獨立的部分被放在IRQ子系統(tǒng)的位置kernel/irq/handle.c中，名稱為_do_IRQ。當發(fā)生中斷時，CPU將執(zhí)行do_IRQ來處理相應(yīng)的中斷，do_IRQ將做了必要的架構(gòu)相關(guān)的處理后調(diào)用_do_IRQ。函數(shù)_do_IRQ將判斷該中斷是否已經(jīng)被線程化（如果中斷描述符的狀態(tài)字段不包含SA_NODELAY標志說明中斷被線程化了），如果是將喚醒相應(yīng)的處理線程，否則將直接調(diào)用handle_IRQ_event（在IRQ子系統(tǒng)位置的kernel/irq/handle.c文件中）來處理。對于已經(jīng)線程化的情況，中斷處理線程被喚醒并開始運行后，將調(diào)用do_hardirq（在源碼樹的IRQ子系統(tǒng)位置的文件kernel/irq/manage.c中定義）來處理相應(yīng)的中斷，該函數(shù)將判斷是否有中斷需要被處理（中斷描述符的狀態(tài)標志IRQ_INPROGRESS），如果有就調(diào)用handle_IRQ_event來處理。handle_IRQ_event將直接調(diào)用相應(yīng)的中斷處理句柄來完成中斷處理。