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Linux操作系统实时性分析

原创 Linux操作系统 作者:yaxian68 时间:2020-09-29 09:25:50 0 删除 编辑

  1. 概述

  选择一个合适的嵌入式操作系统,可以考虑以下几个因素:

  第一是应用。如果你想开发的嵌入式设备是一个和网络应用密切相关或者就是一个网络设备,那么你应该选择用嵌入式Linux或者uCLinux,而不是uC/OS-II。

  第二是实时性。没有一个绝对的数字可以告诉你什么是硬实时,什么是软实时,他们之间的界限也是十分模糊的,这与你选择什么样的CPU,它的主频、内存等参数有一定关系。如果你使用加入实时补丁等技术的嵌入式Linux,如Monta Vista Linux(2.4.17版本),最坏的情况只有436微秒,而99.9%的情况是195微秒以内。考虑到最新的Linux在实时性方面的改进,它可以适合于90~95%的各种嵌入式系统应用。当然,你如果希望更快的实时响应,如高速A/D转换需要几个微秒以内的中断延时,可能采用uC/OS-II是合适的。当然,采用像Vxworks这样传统的嵌入式操作系统也可以满足这样的强实时性要求。

  2. 为什么选择Linux操作系统

  Linux系统作为一个GPOS(通用操作系统)发展至今已经非常成熟可靠了,并且由于遵循GPL协议,开放所有系统源代码,非常易于裁剪。更重要的是,与其他开源的GPOS或RTOS相比,Linux系统支持多种处理器、开发板,提供多种软件开发工具,同时Linux系统对网络和图形界面的支持非常出色。显然,选择Linux操作系统在产品的开发周期和成本控制方面都有巨大优势。

  凭借经济和技术方面的诸多优势,Linux正被越来越多的嵌入式设备所使用。Linux在嵌入式系统市场的占用率越来越高,以下是大部分产品选择Linux系统的原因:

  Linux支持的硬件设备种类繁多。

  Linux支持非常多的应用程序和网络协议。

  Linux的扩展性很好,从小型的消费电子产品到大型、笨重的电信级交换机和路由器都可以采用Linux。

  和传统的专有嵌入式操作系统不同,部署Linux不需要缴纳专利费。

  Linux吸引了为数众多的活跃的开发者,能很快支持新的硬件架构、平台和设备。

  越来越多的硬件和软件厂商,包括几乎所有的顶级芯片制造商和独立软件开发商,现在都支持Linux。

  3. 什么是实时

  实时系统的典型定义如下:“所谓实时系统,就是系统中计算结果的正确性不仅取决于计算逻辑的正确性,还取决于产生结果的时间。如果完成时间不符合要求,则可以说系统发生了问题。”也就是说,不管实时应用程序进行的是何种任务,它不仅需要正确进行该任务而且还必须及时完成它。

  人们很容易对实时产生误解,认为实时即速度足够快,实际上,实时并不意味着速度快。实时的关键在于保证完成时间,而不在于原始速度,因为速度性能与硬件相关,可以通过搭建快速硬件平台(处理器、存储器子系统等)来获得所需的性能。而实时的行为是一个软件问题,其目标是让关键的操作能够在所保证的时间之内完成。

  实时进程不会影响自己在执行环境中的调度,反而是环境影响实时应用程序的调度。也就是说,实时进程通常和某个物理事件相关联,比如外围设备的中断。那么显然,影响实时的原因在于中断响应延时,在Linux系统中可细分为中断延时、中断处理、调度延时。一般来说,针对用户对超出时间限制所造成的影响的可接受程度,实时又可分为软实时和硬实时。

  3.1 软实时

  大多数人都同意软实时意味着操作有时间限制。如果超过了时间限制后操作还没有完成的话,体验的质量就会下降,但不会带来致命后果。桌面工作站就是一个需要软实时功能的绝好例子。编辑文档时,你期望在按键之后立刻在屏幕上看到结果。在播放MP3文件时,你期望听到没有任何杂音、爆音或中断的高品质音乐。如果这些所谓的软实时事件错过了时限,结果可能不尽如人意,并导致体验的质量有所下降,但这并不是灾难性的。

  3.2 硬实时

  硬实时的特点是错过时限会造成严重结果。在一个硬实时系统中,如果错过了时限,后果往往是灾难性的。当然,“灾难”是相对而言的。但如果你的嵌入式设备正在控制喷气式飞机引擎的燃料流,而它没有能够及时响应飞行员输入的命令或操作特性的变化,致命后果就不可避免了。

  这里,我们总结一下软实时和硬实时的定义。对于软实时系统,如果错过了时限,系统的计算值或结果会不太理想。然而,对于硬实时系统,如果错过了某个时限,系统就是失败的,而且可能会造成灾难性的后果。

  4. 制约标准Linux操作系统实时性的因素

  虽然Linux系统功能强大、实用性强、易于软件的二次开发,并且提供编程人员熟悉的标准API。但是由于Linux系统一开始就被设计成GPOS(通用操作系统),它的目的是构建一个完整、稳定的开源操作系统,尽量缩短系统的平均响应时间,提高吞吐量,注重操作系统的整体功能需求,达到更好地平均性能。(在操作系统中,我们可以把吞吐量简单的理解为在单位时间内系统能够处理的事件总数。)

  因此在设计Linux的进程调度算法时主要考虑的是公平性,也就是说,调度器尽可能将可用的资源平均分配给所有需要处理器的进程,并保证每个进程都得以运行。但这个设计目标是和实时进程的需求背道而驰的,所以标准Linux并不提供强实时性。

  Linux系统实时性不强使其在嵌入式应用中有一定的局限性,主要是受内核可抢占性、进程调度方式、中断处理机制、时钟粒度等几个方面的制约,具体如下:

  (1) 进程调度

  Linux系统提供符合POSIX标准的调度策略,包括FIFO调度策略(SCHED_FIFO)、带时间片轮转的实时调度策略(SCHED_RR)和静态优先级抢占式调度策略(SCHED_OTHER)。Linux进程默认的调度策略为SCHED_OTHER,这种调度方式虽然可以让进程公平地使用CPU和其它资源,但是并不能保证对时间要求严格或者高优先级的进程将先于低优先级的执行,这将严重影响系统实时性。那么,将实时进程的调度策略设置为SCHED_FIFO 或SCHED_RR ,似乎使得Linux系统具备根据进程优先级进行实时调度的能力,但问题在于,Linux系统在用户态支持可抢占调度策略,而在内核态却不完全支持抢占式调度策略。这样运行在Linux内核态的任务(包括系统调用和中断处理)是不能被其它优先级更高的任务所抢占的,由此引起优先级逆转问题。

  (2) 内核抢占机制

  Linux的系统进程运行分为用户态和内核态两种模式。当进程运行在用户态时,具有高的优先级的进程可以抢占进程,可以较好地完成任务;但是当进程运行在内核态时,即使其他高优先级进程也不能抢占该进程。当进程通过系统调用进入内核态运行时,实时任务必须等待系统调用返回后才能获得系统资源。这和实时系统所要求的高优先级任务运行是相互矛盾的。

  当然,这种情况在Linux2.6版本的内核发布以来有了显著改进,Linux2.6版本后的内核是抢占式的,这意味着进程无论在处于内核态还是用户态,都可能被抢占。Linux2.6以后的内核提供以下3种抢占模式供用户选择。

  PREEMPT_NONE——没有强制性的抢占。整体的平均延时较低,但偶尔也会出现一些较长的延时。它最适合那些以整体吞吐率为首要设计准则的应用。

  PREEMPT_VOLUNTARY——降低延时的第一阶段。它会在内核代码的一些关键位置上放置额外的显示抢占点,以降低延时。但这是以牺牲整体吞吐率为代价的。

  PREEMPT/PREEMPT_DESKTOP——这种模式使内核在任何地方都是可抢占的,临界区除外。这种模式适用于那些需要软实时性能的应用程序,比如音频和多媒体。这也是以牺牲整体吞吐率为代价的。

  (3) 中断屏蔽

  Linux在进行中断处理时都会关闭中断,这样可以更快、更安全地完成自己的任务,但是在此期间,即使有更高优先级的实时进程发生中断,系统也无法响应,必须等到当前中断任务处理完毕。这种状况下会导致中断延时和调度延时增大,降低Linux系统的实时性。

  (4) 时钟粒度粗糙

  时钟系统是计算机的重要组成部分,相当于整个操作系统的脉搏。系统所能提供的最小时间间隔称为时钟粒度,时钟粒度与进程响应的延迟性是正比关系,即粒度越粗糙,延迟性越长。但时钟粒度并不是越小越好,就同等硬件环境而言,较小的时间粒度会导致系统开销增大,降低整体吞吐率。在Linux2.6内核中,时钟中断发生频率范围是50~1200Hz,周期不小于0.8ms,对于需要几十微秒的响应精度的应用来说显然不满足要求。而在嵌入式Linux系统中,为了提高整体吞吐率,时钟频率一般设置为100HZ或250HZ。

  另外,系统时钟负责软定时,当软定时器逐渐增多时会引起定时器冲突,增加系统负荷。

  (5) 虚拟内存管理

  Linux采用虚拟内存技术,进程可以运行在比实际空间大得多的虚拟空间中。在分时系统中,虚拟内存机制非常适用,然而对于实时系统这是难以忍受的,频繁的页面换进换出会使得系统进程运行无法在规定时间内完成。

  对于此问题,Linux系统提供内存锁定功能,以避免在实时处理中存储页被换出。

  (6) 共享资源的互斥访问差异

  多个任务互斥地访问同一共享资源时,需要防止数据遭到破坏,系统通常采用信号量机制解决互斥问题。然而,在采取基于优先级调度的实时系统中,信号量机制容易造成优先级倒置,即低优先级任务占用高优先级任务资源,导致高优先级任务无法运行。

  虽然从2.6.12版本之后,Linux内核已经可以在较快的x86处理器上实现10毫秒以内的软实时性能。但如果想实现可预测、可重复的微秒级的延时,使Linux系统更好地应用于嵌入式实时环境,则需要在保证Linux系统功能的基础上对其进行改造。

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