當(dāng)今信息社會(huì),，以多媒體為特征的信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生的影響和作用愈來愈明顯，愈來愈重要,。多媒體技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于多媒體軟件開發(fā)的水平,。目前不管是支撐多媒體的系統(tǒng)軟件，還是應(yīng)用軟件,，都在能力和數(shù)量上難以滿足多媒體飛速發(fā)展的需要,。特別是多媒體系統(tǒng)軟件的缺乏，一直是制約多媒體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一,。
　　Linux從1991年誕生之日起至今不過十來年,，卻已發(fā)展成為一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng),。在嵌入式領(lǐng)域,，Linux同樣獲得了飛速發(fā)展。Linux具有以下特點(diǎn)：
　　(1)Linux操作系統(tǒng)的開放源碼易于定制剪裁,，在價(jià)格上有竟?fàn)幜Γ?BR>　　(2)Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核小,、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定,、系統(tǒng)強(qiáng)壯,、效率高；
　　(3)Linux操作系統(tǒng)不僅支持X86 CPU,，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片,；
　　(4)Linux支持所有標(biāo)準(zhǔn)的因特網(wǎng)協(xié)議，幾乎所有的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接口都定制在其中,。
　　因此,，Linux系統(tǒng)是多媒體終端操作系統(tǒng)的首選,。
1 通用Linux實(shí)時(shí)性分析及其在實(shí)時(shí)性方面的不足
　　雖然目前Linux內(nèi)核在實(shí)時(shí)性方面有所增強(qiáng)，但由于Linux系統(tǒng)本身是一個(gè)面向桌面的系統(tǒng),，所以將它應(yīng)用于多媒體終端時(shí),，在實(shí)時(shí)性方面仍存在一些問題。
1.1 通用Linux系統(tǒng)的調(diào)度策略
　　通用Linux系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種進(jìn)程,，實(shí)時(shí)進(jìn)程相對(duì)于普通進(jìn)程具有絕對(duì)的優(yōu)先級(jí),。對(duì)應(yīng)地，實(shí)時(shí)進(jìn)程采用SCHED_FIFO或者SCHED_RR調(diào)度策略" title="調(diào)度策略">調(diào)度策略,，普通的進(jìn)程采用SCHED_OTHER調(diào)度策略,。
　　SCHED_OTHER調(diào)度策略本質(zhì)上是一種比例共享的調(diào)度策略，它的這種設(shè)計(jì)方法能夠保證進(jìn)程調(diào)度時(shí)的公平性：一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程在每一個(gè)epoch中也會(huì)得到自己應(yīng)得的那些CPU執(zhí)行時(shí)間,，另外它也提供了不同進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)區(qū)分,，具有高priority值的進(jìn)程能夠獲得更多的執(zhí)行時(shí)間。
　　對(duì)于實(shí)時(shí)進(jìn)程來說,，它們使用基于實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)rt_priority的優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略,，但根據(jù)不同的調(diào)度策略，同一實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程之間的調(diào)度方法有所不同,。
　　Linux調(diào)度時(shí),，要遍歷運(yùn)行隊(duì)列，對(duì)隊(duì)列中的每一個(gè)進(jìn)程計(jì)算goodness值,，goodness 最大的進(jìn)程將被選中運(yùn)行,。根據(jù)調(diào)度策略的不同，進(jìn)程的goodness值也要做不同的計(jì)算,。普通進(jìn)程的goodness值是在該進(jìn)程計(jì)數(shù)值counter基礎(chǔ)上略有浮動(dòng),，其范圍是0~999。實(shí)時(shí)進(jìn)程的goodness值是將該進(jìn)程實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)rt_priority 加上1000,。所以實(shí)時(shí)進(jìn)程的goodness 總是大于非實(shí)時(shí)進(jìn)程,，從而保證了實(shí)時(shí)進(jìn)程的優(yōu)先調(diào)度權(quán)。函數(shù)goodness( )如下：
　　static inline int goodness(struct task_struct*p,，int
　　this_cpu,，struct mm_struct*this _ mm)
　　{int weight,；
　　weight=-1,；
　　if(P－＞policy&SCHED_YIELD) goto out；/*非實(shí)時(shí)進(jìn)程*/
　　if (p－＞ policy= =SCHED_OTHER)
　　{ weight=p一＞counter,；
　　if(! weight)goto out,；
　　if(P一＞mm= =this _ mm!!!p一＞mm)
　　weight +=1；
　　weight +=20一P一＞nice,；
　　goto out,；
　　}/*軟實(shí)時(shí)進(jìn)程*/
　　weight= 1000+P一＞rt_priority；
　　goto out；
　　return weight,；
　　}一
　　從上面的goodness()函數(shù)可以看出普通Linux內(nèi)核的進(jìn)程調(diào)度算法只是軟實(shí)時(shí)的,，并不是硬實(shí)時(shí)的。
1.2 通用Linux實(shí)時(shí)性方面的缺陷
　　(1)Linux系統(tǒng)中的調(diào)度單位為10ms,，所以它不能夠提供精確的定時(shí),；
　　(2)當(dāng)一個(gè)進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，它是不可被搶占的,；
　　(3)Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)使用了大量的封中斷操作會(huì)造成中斷的丟失,；
　　(4)由于使用虛擬內(nèi)存技術(shù)，當(dāng)發(fā)生頁出錯(cuò)時(shí),，需要從硬盤中讀取交換數(shù)據(jù),，但硬盤讀寫由于存儲(chǔ)位置的隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)的讀寫時(shí)間，這在某些情況下會(huì)影響一些實(shí)時(shí)任務(wù)的截止期限,；
　　(5)雖然Linux進(jìn)程調(diào)度也支持實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí),，但缺乏有效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度" title="任務(wù)調(diào)度">任務(wù)調(diào)度機(jī)制和調(diào)度算法；其網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的協(xié)議處理和其他設(shè)備的中斷處理都沒有與它對(duì)應(yīng)的進(jìn)程的調(diào)度關(guān)聯(lián)起來,，并且其自身也沒有明確的調(diào)度機(jī)制,。
2 面向多媒體應(yīng)用的Linux實(shí)時(shí)性改進(jìn)
　　提高Linux的實(shí)時(shí)性一般有兩種方法：一種是對(duì)普通的Linux內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、調(diào)度函數(shù),、中斷方式等進(jìn)行修改,，使其能夠處理實(shí)時(shí)進(jìn)程。另一種是在Linux內(nèi)核之外,，進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴(kuò)展,。也就是在普通Linux的基礎(chǔ)之上再設(shè)計(jì)一個(gè)用于專門處理實(shí)時(shí)進(jìn)程的內(nèi)核。為了提高Linux的實(shí)時(shí)性,，并且使之能夠更好地滿足多媒體應(yīng)用系統(tǒng)的需求,，本文采用第一種方法來提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
2.1 提高系統(tǒng)所支持的時(shí)鐘精度
　　為了提高Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性,，必須提高系統(tǒng)所支持的時(shí)鐘精度,。但如果僅僅簡單地提高時(shí)鐘頻率，會(huì)引起調(diào)度負(fù)載的增加,，從而嚴(yán)重降低系統(tǒng)的性能,。為了解決這個(gè)矛盾， 本文將時(shí)鐘芯片設(shè)置為單次觸發(fā)狀態(tài),，即每次給時(shí)鐘芯片設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間,，然后到該超時(shí)事件發(fā)生時(shí)在時(shí)鐘中斷處理程序中再次根據(jù)需要給時(shí)鐘芯片設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間。其基本思想是：一個(gè)精確的定時(shí)意味著時(shí)鐘中斷在一個(gè)比較精確的時(shí)間發(fā)生,，但并非一定需要系統(tǒng)時(shí)鐘頻率達(dá)到此精度,。它利用CPU的時(shí)鐘計(jì)數(shù)器來提供精度可達(dá)CPU主頻的時(shí)間精度,。
2.2 可搶占式內(nèi)核設(shè)計(jì)
　　(1)搶占式內(nèi)核給task struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)：preempt_count。該數(shù)據(jù)項(xiàng)由宏preempt_disable(),、preempt_enable(),、以及preempt_enable_no_resched()所使用。preempt_disable對(duì)preempt_count計(jì)數(shù)進(jìn)行遞增,，preempt_enable對(duì)preempt_count進(jìn)行遞減,。preempt_enable宏查看當(dāng)前進(jìn)程的preempt_count和need_resched域的內(nèi)容，如果 preempt_count為0并且need_resched為1,，則調(diào)用preempt_schedule()函數(shù),。該函數(shù)將給當(dāng)前進(jìn)程的preempt_count項(xiàng)增加一個(gè)很大的值，然后調(diào)用進(jìn)程調(diào)度函數(shù)schedule(),，在schedule函數(shù)返回后從該進(jìn)程preempt_count中再減去該值,，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)核可搶占。
　　(2)修改schedule函數(shù),，使它檢測進(jìn)程的preempt_co-unter是否很大(這是為了屏蔽一些普通調(diào)度流程中對(duì)于搶占式調(diào)度來說是冗余的那些操作),，然后執(zhí)行搶占式調(diào)度。同時(shí)修改spinlock的代碼,。在spin_lock()和spin_try_lock中增加了對(duì)于preempt_disable的調(diào)用,，在spin_unlock()中增加了對(duì)于preempt_enable的調(diào)用。修改中斷返回的代碼,，在其中增加了對(duì)于preempt_enable的調(diào)用,。
　　由以上可看出內(nèi)核的搶占式調(diào)度發(fā)生在如下情況：在釋放spinlock時(shí)，或者當(dāng)中斷返回時(shí),，如果當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程的need_resched被標(biāo)記,，則進(jìn)行搶占式調(diào)度。
2.3 實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)
　　在任務(wù)切換方面限制Linux不能進(jìn)入RTOS行列的主要原因是：內(nèi)核無法及時(shí)進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度,，即任務(wù)調(diào)度器schedule()函數(shù)不能及時(shí)被執(zhí)行,；當(dāng)中斷返回到內(nèi)核態(tài)時(shí)，Linux內(nèi)核禁止進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度,，只有中斷返回到用戶態(tài)時(shí),，Linux內(nèi)核才允許進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。針對(duì)這兩點(diǎn),，對(duì)Linux內(nèi)核的相關(guān)函數(shù)作如下修改：
　　(1)當(dāng)系統(tǒng)從中斷返回到內(nèi)核態(tài)時(shí),，強(qiáng)制調(diào)用調(diào)度函數(shù)preemp_schedule()，為此,，在arch/i386/kernel/Entry.S中修改如下代碼：
　　……
　　#ifdef CONFIG PREEMPT
　　cli
　　decl preempt count(%ebx)/*恢復(fù)內(nèi)核搶占標(biāo)志*/
　　#endif
　　……
　　incl preempt count(%ebx)
　　sti
　　call SYMBOL_ NAME(preempt_schedule)
　　jmp ret_from_intr/*新進(jìn)程返回ret_from_intr恢復(fù)搶占標(biāo)志后再返回*/
　　……
　　(2)對(duì)于內(nèi)核態(tài)搶占的任務(wù)不要從運(yùn)行隊(duì)列刪除,，為此需要對(duì)文件kernel/schedule.c作修改,，關(guān)鍵代碼如下：
　　……
　　#ifdef CONFIG PREEMPT
　　ctx_sw_off(),；/*加鎖,，禁止內(nèi)核搶占*/
　　#endif
　　……
　　#ifdef CONFIG_PREEMPT
　　if(prev-＞state & TASK_PREEMPTED)
　　break；/*如果是內(nèi)核搶占調(diào)度,則保留運(yùn)行隊(duì)列*/
　　#endif
　　……
　　#ifdef CONFIG PREEMPT
　　ctx_sw_on_no_preempt(),；/*解鎖,，允許內(nèi)核搶占*/
　　#endif
　　……
　　這樣可以解決當(dāng)中斷返回到內(nèi)核態(tài)時(shí)，Linux內(nèi)核禁止進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度,，只有中斷返回到用戶態(tài)時(shí),，Linux內(nèi)核才允許進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度的問題，從而增強(qiáng)了任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性,。
3 嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能測試結(jié)果
　　測試工具：Linux Trace ToolKit－0.8
　　測試環(huán)境：Intel Celeron 1.2GHz CPU,、256MB SDRAM，通用Linux為Red Hat9.0,RT-Linux為3.0版,，Media-Linux即為本文實(shí)現(xiàn)的嵌入式Linux,。
　　測試結(jié)果如表1所示。