【Word版本下載可任意編輯】嵌入式Linux的實時性分析引言

嵌入式Linux是以Linux為根底的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，它被廣泛應用在移動電話、個人數字助理（PDA）、媒體播放器、消費性電子產品以及航空航天等領域中……

嵌入式系統(tǒng)出現于60年代晚期，它初被用于控制機電電話交換機，如今已被廣泛的應用于工業(yè)制造、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等眾多領域。計算機系統(tǒng)CPU，每年在范圍內的產量大概在二十億顆左右，其中超過80％應用于各類專用性很強的嵌入式系統(tǒng)。一般的說，但凡帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。

本文采用APIC時鐘修改的方法對Linux內核開展實時化改造，修改APIC中斷函數，將APIC中斷和8254中斷排序，使得硬實時中斷的優(yōu)先級大于普通8254中斷。通過多組仿真實驗，驗證了該改造方法是有效的。

1嵌入式Linux的實時性分析

Linux設計的初衷是系統(tǒng)吞吐量的平衡，其內核試圖通過一種公平分配的策略來實現各進程平均地共享系統(tǒng)資源：

（1）內核的不可搶占性：Linux的內核在單處理器上不可搶占，當一個任務進入內核態(tài)運行時，一個具有更高優(yōu)先級的進程，只有等待處于態(tài)的系統(tǒng)調用返回后方能執(zhí)行，這將導致優(yōu)先級逆轉。

（2）進程調度的不可搶占性：Linux作為一個分時系統(tǒng)，采用多級反應輪轉調度算法，它保證了每一個進程都有一種調度策略，但是都放在同一個隊列中運行，這也是Linux作為實時操作系統(tǒng)的一個弱點。圖1是Linux調度機制框圖。

（3）時鐘中斷的精度不高：Linux2.4.X內核的時鐘中斷周期為10ms，時鐘粒度太過于粗糙，不能滿足實時性要求。

（4）Linux的虛擬存儲管理：Linux采用段和頁機制的虛擬存儲管理技術，進程在硬盤和內存間的換入換出必然帶來額外的開銷，造成很大的延遲。

由此可見，要將Linux應用于嵌入式系統(tǒng)，必須對其開展實時化改造，以適應嵌入式領域要求。

2嵌入式Linux系統(tǒng)特點應用

就是利用Linux其自身的許多特點，把它應用到嵌入式系統(tǒng)里。

Linux做嵌入式的優(yōu)勢，首先，Linux是開放源代碼的，不存在黑箱技術，遍布的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)者的強大技術支持；其次，Linux的內核小、效率高，內核的更新速度很快，linux是可以定制的，其系統(tǒng)內核只有約134KB。第三，Linux是的OS，在價格上極具競爭力。Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應于多種CPU和多種硬件平臺，是一個跨平臺的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種CPU。而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。很多CPU包括家電業(yè)芯片，都開始做Linux的平臺移植工作。移植的速度遠遠超過Java的開發(fā)環(huán)境。也就是說，如果今天用Linux環(huán)境開發(fā)產品，那么將來換CPU就不會遇到困擾。同時，Linux內核的構造在網絡方面是非常完整的，Linux對網絡中常用的TCP/IP協(xié)議有完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網絡，以及無線網絡，Tokerring（令牌環(huán)網）、光纖甚至衛(wèi)星的支持。所以Linux很適于做信息家電的開發(fā)。

還有使用Linux為的是來開發(fā)無線連接產品的開發(fā)者越來越多。Linux在快速增長的無線連接應用主場中有一個非常重要的優(yōu)勢，就是有足夠快的開發(fā)速度。這是因為LInux有很多工具，并且Linux為眾多程序員所熟悉。因此，我們要在嵌入式系統(tǒng)中使用Linux操作系統(tǒng)。

3基于時鐘修改的內核改造方案

在單CPU系統(tǒng)中，與時間有關的活動都是由8254時鐘芯片來驅動的，8254產生0號中斷。直接修改內核定時參數HZ的初值就可構造細粒度定時器。這種方式實現起來很簡單，但是由此帶來頻繁的定時中斷使得系統(tǒng)的開銷很大，當然隨著硬件速度的提高，這種開銷會逐步降低。

Linux是的自由電腦操作系統(tǒng)內核。它是一個用C語言和匯編語言寫成，符合POSIX標準的類Unix操作系統(tǒng)。Linux早是由芬蘭黑客林納斯。托瓦茲（LinusB.Torvalds）為嘗試在英特爾x86架構上提供自由的類Unix操作系統(tǒng)而開發(fā)的。該計劃開始于1991年，林納斯·托瓦茲當時在Usenet新聞組comp.os.minix登載帖子，這份著名的帖子標示著Linux計劃的正式開始。

簡單地修改赫茲參數HZ開展實時化的方法顯然并不可取。Linux2.6內核的時鐘粒度是1ms，但仍然與嵌入式領域的實時化要求差距較遠，因此需要更高精度的時鐘。本文利用先進的APIC時鐘實現一個高精度時鐘系統(tǒng)，提供了高精度的中斷響應，從而以較少的改動獲得較高的實時性。

APIC是裝置的擴大組合用來驅動Interrupt控制器。在目前的建置中，系統(tǒng)的每一個部份都是經由APICBus連接的。"本機APIC"為系統(tǒng)的一部份，負責傳遞Interrupt至指定的處理器；舉例來說，當一臺機器上有三個處理器則它必須相對的要有三個本機APIC。自1994年的PentiumP54c開始Intel已經將本機APIC建置在它們的處理器中。實際建置了Intel處理器的電腦就已經包含了APIC系統(tǒng)的部份。

系統(tǒng)中另一個重要的部份為I/OAPIC。系統(tǒng)中多可擁有8個I/OAPIC。它們會收集來自I/O裝置的Interrupt訊號且在當那些裝置需要interrupt時傳送訊息至本機APIC。每個I/OAPIC有一個專有的interrupt輸入（或IRQ）號碼。Intel過去與目前的I/OAPIC通常有24個輸入--其它的可能有多逹64個。而且有些機器擁有數個I/OAPIC，每一個分別有自己的輸入號碼，加起來一臺機器上會有上百個IRQ可供裝置Interrupt使用。

APIC本身提供了中斷處理函數apic_timer_interrupt，該函數包括Irq_enter（），Run_realtimer_queue（）和irq_exit（），其中函數irq_exit通常負責判斷當前是否有8254產生的軟中斷存在，如果存在，就會觸發(fā)8254軟中斷，這樣會造成APIC硬中斷處理延遲。本文的思路就是修改irq_exit，在其中將各軟中斷線程和硬中斷線程開展排序，使APIC硬中斷的優(yōu)先級高于軟中斷，此時硬中斷線程得到優(yōu)先處理，從而提高內核的實時性能。Irp_exit函數的代碼如下：

上面調用invoke_softirq（）函數執(zhí)行軟中斷使本文修改的重點，修改中斷向量表，對向量表中所有軟中斷和實時中斷開展排序，提前硬中斷的時間片，這樣使當前處于pending狀態(tài)的軟中斷被屏蔽和懸掛，直到硬中斷處理完成為止。將invoke_softirq（）函數修改為：

每個處理器時間片上能夠處理的中斷只有一個，通過更新當前任務時間片，使硬中斷在時間獲得CPU的響應，此時軟中斷將被屏蔽，這就保證了硬中斷能夠得到實時的響應。

由于Linux采用8254完成時序分配，8254需要保存以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這樣的話，8254定時器和APIC必須共存，對于硬實時應用，可采用APIC時鐘開展計時。在8254中斷過程中，如果產生APIC中斷，采用通過本文的方琺必須對優(yōu)先對APIC時鐘開展響應，會出現8254中斷被搶占，此時上下文切換等操作可能導致不可預料的錯誤。解決問題的方法可采取在APIC相應中斷期間，關閉軟中斷，只有當APIC中斷執(zhí)行完畢后，8254軟中斷才能夠被響應。

4實時性能測試與分析

實驗條件1：CPU：PⅢ300MHz，內存為128MB，硬盤為5400轉的15GB臺式機硬盤，操作系統(tǒng)為Fedora2.6.18內核。環(huán)境一（vd-d1）采用原版內核，環(huán)境二（vd-d2）采用改良型內核。測試方法為通過測試內核的上、下文切換、內存延遲及模擬外部中斷來評價改造前后的性能。統(tǒng)計測試結果，如圖2、圖3所示。

從實驗結果可知，在上、下文切換中I/0讀/寫和文件打開和關閉，改良型內核的實時性能都有明顯提高，模擬TCP通道子項，改良型內核性能提高了約6倍，但在對中斷響應要求不是很高的nullcall測試中，隨著處理器負荷的進一步加重，原始內核的內存延遲急劇增加。在差情況下，系統(tǒng)響應速度較慢，延遲時間到達5μs。而改良型內核在處理器負荷變化時，系統(tǒng)的響應速度變化不明顯，而且中斷響應速度始終穩(wěn)定在2μs以下，性能穩(wěn)定。

實驗條件2：采用改良型內核，環(huán)境一（vd-d2）CPU：PIII300MHz，環(huán)境二（vd-d3）CPU降頻為200MHz（接近ARM9）。統(tǒng)計測試結果，獲得它們的文件系統(tǒng)延遲結果見圖4。圖4反映了同樣采用改良型