引言
嵌入式Linux是指對Linux進(jìn)行剪裁后，將其固化在單片機(jī)或者存儲器中,，應(yīng)用于特定場合的專用Linux系統(tǒng),。嵌入式系統(tǒng)要求實時性能高，但Linux為分時系統(tǒng)設(shè)計的操作系統(tǒng),，盡管最新的內(nèi)核在實時性能方面有所提高,，但它仍然不是一個實時系統(tǒng)，在很多場合不能滿足實時性要求,。一般地,，通過改造Linux的內(nèi)核以提高其實時性能有2種策略：一種是采用底層編程的方法對Linux內(nèi)核進(jìn)行修改(如調(diào)度算法、時鐘修改等),，典型的系統(tǒng)有Kansas大學(xué)開發(fā)的KURT,。文獻(xiàn)提出了搶占式內(nèi)核調(diào)度算法，容易引起內(nèi)核優(yōu)先級翻轉(zhuǎn),，文獻(xiàn)針對非搶占式內(nèi)核,，增加搶占點(diǎn)，該方法需要優(yōu)秀的調(diào)度算法,。另一種途徑是Linux的外部實時性擴(kuò)展,，在原有Linux基礎(chǔ)上再設(shè)計一個用于專門處理實時進(jìn)程的內(nèi)核，典型的系統(tǒng)有RTLinux,、RTAI等,。此方法的不足是RTLinux現(xiàn)在已經(jīng)停止了更新，目前的開源版本僅支持2.4內(nèi)核,，RTAI的設(shè)計原理和RTLinux類似,，也是一個實時性應(yīng)用接口。
本文采用APIC時鐘修改的方法對Linux內(nèi)核進(jìn)行實時化改造,，修改APIC中斷函數(shù),，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(shè)計的初衷是系統(tǒng)吞吐量的平衡,，其內(nèi)核試圖通過一種公平分配的策略來實現(xiàn)各進(jìn)程平均地共享系統(tǒng)資源：
(1)內(nèi)核的不可搶占性：Linux的內(nèi)核在單處理器上不可搶占,，當(dāng)一個任務(wù)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時,，一個具有更高優(yōu)先級的進(jìn)程，只有等待處于核心態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用返回后方能執(zhí)行,，這將導(dǎo)致優(yōu)先級逆轉(zhuǎn),。
(2)進(jìn)程調(diào)度的不可搶占性：Linux作為一個分時系統(tǒng)，采用多級反饋輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法,，它保證了每一個進(jìn)程都有一種調(diào)度策略,，但是都放在同一個隊列中運(yùn)行,，這也是Linux作為實時操作系統(tǒng)的一個弱點(diǎn),。圖1是Linux調(diào)度機(jī)制框圖。
(3)時鐘中斷的精度不高：Linux 2.4.X內(nèi)核的時鐘中斷周期為10 ms,，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(jī)制的虛擬存儲管理技術(shù),，進(jìn)程在硬盤和內(nèi)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(yīng)用于嵌入式系統(tǒng),，必須對其進(jìn)行實時化改造，以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域要求,。
2 基于時鐘修改的內(nèi)核改造方案
在單CPU系統(tǒng)中,，與時間有關(guān)的活動都是由8254時鐘芯片來驅(qū)動的，8254產(chǎn)生0號中斷,。直接修改內(nèi)核定時參數(shù)HZ的初值就可構(gòu)造細(xì)粒度定時器,。這種方式實現(xiàn)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(dāng)然隨著硬件速度的提高,，這種開銷會逐步降低。
簡單地修改赫茲參數(shù)HZ進(jìn)行實時化的方法顯然并不可取,。Linux 2.6內(nèi)核的時鐘粒度是1 ms,，但仍然與嵌入式領(lǐng)域的實時化要求差距較遠(yuǎn)，因此需要更高精度的時鐘,。目前常見的修改時鐘系統(tǒng)達(dá)到實時化的方法都是從軟件層面著手,，這方面己獲得較大進(jìn)展，但是從時鐘系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分析并開展實時化工作也是一個值得注意的方向,。本文利用先進(jìn)的APIC時鐘實現(xiàn)一個高精度時鐘系統(tǒng),，提供了高精度的中斷響應(yīng)，從而以較少的改動獲得較高的實時性,。
APIC以總線頻率工作,，可立即執(zhí)行所有的定時器操作,，目前x86都有片內(nèi)APIC，用戶可在單CPU內(nèi)使用APIC,。APIC除了能提供高精度的時鐘外還具有一個重要的優(yōu)點(diǎn),，是由于它位于片內(nèi)，對其編程只需幾個CPU指令周期,，而對IntelX86的8254存取需要若干慢速的ISA總線指令,。
在100MHz的CPU系統(tǒng)中，處理一個中斷的時間不到10μs,，因此高速CPU完全可在更短的時間內(nèi)處理更多的APIC中斷,。理論上APIC可實現(xiàn)10 ns左右的系統(tǒng)時鐘，但實際上在處理中斷時要耗費(fèi)一些時間,，因此中斷的響應(yīng)時間要大于10 ns,。
APIC本身提供了中斷處理函數(shù)apic_timer_interrupt，該函數(shù)包括Irq_enter(),，Run_realtimer_queue()和irq_exit(),，其中函數(shù)irq_ exit通常負(fù)責(zé)判斷當(dāng)前是否有8254產(chǎn)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進(jìn)行排序,，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(nèi)核的實時性能,。Irp_exit函數(shù)的核心代碼如下：
上面調(diào)用invoke_softirq()函數(shù)執(zhí)行軟中斷使本文修改的重點(diǎn)，修改中斷向量表,，對向量表中所有軟中斷和實時中斷進(jìn)行排序,，提前硬中斷的時間片，這樣使當(dāng)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(shù)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(dāng)前任務(wù)時間片,，使硬中斷在第一時間獲得CPU的響應(yīng),，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(yīng),。
由于Linux采用8254完成時序分配,，8254需要保留以保證系統(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(yīng)用,，可采用APIC時鐘進(jìn)行計時。在8254中斷過程中,，如果產(chǎn)生APIC中斷,，采用通過本文的方琺必須對優(yōu)先對APIC時鐘進(jìn)行響應(yīng)，會出現(xiàn)8254中斷被搶占,，此時上下文切換等操作可能導(dǎo)致不可預(yù)料的錯誤,。解決問題的方法可采取在APIC相應(yīng)中斷期間，關(guān)閉軟中斷,，只有當(dāng)APIC中斷執(zhí)行完畢后,，8254軟中斷才能夠被響應(yīng)。
3 實時性能測試與分析
實驗條件1：CPU：PⅢ300 MHz,，內(nèi)存為128 MB,，硬盤為5 400轉(zhuǎn)的15 GB臺式機(jī)硬盤，操作系統(tǒng)為Fedora2.6.18內(nèi)核,。環(huán)境一(vd-d1)采用原版內(nèi)核，環(huán)境二(vd-d2)采用改進(jìn)型內(nèi)核,。測試方法為通過測試內(nèi)核的上,、下文切換、內(nèi)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(jié)果,，如圖2、圖3所示,。
從實驗結(jié)果可知,，在上、下文切換中I/0讀/寫和文件打開和關(guān)閉,，改進(jìn)型內(nèi)核的實時性能都有明顯提高,，模擬TCP通道子項，改進(jìn)型內(nèi)核性能提高了約6倍,，但在對中斷響應(yīng)要求不是很高的null call測試中,，中斷響應(yīng)時間幾乎相同。改進(jìn)型內(nèi)核中斷響應(yīng)速度始終穩(wěn)定在微妙級,。在處理器負(fù)荷較輕時原始內(nèi)核有著良好的內(nèi)存延遲,，隨著處理器負(fù)荷的進(jìn)一步加重，原始內(nèi)核的內(nèi)存延遲急劇增加,。在最差情況下,，系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，延遲時間達(dá)到5μs,。而改進(jìn)型內(nèi)核在處理器負(fù)荷變化時,，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變化不明顯,，而且中斷響應(yīng)速度始終穩(wěn)定在2μs以下，性能穩(wěn)定,。
實驗條件2：采用改進(jìn)型內(nèi)核,，環(huán)境一(vd-d2)CPU：PIII 300 MHz，環(huán)境二(vd-d3)CPU降頻為200 MHz(接近ARM9),。統(tǒng)計測試結(jié)果,，獲得它們的文件系統(tǒng)延遲結(jié)果見圖4。圖4反映了同樣采用改進(jìn)型內(nèi)核,，將CPU降頻前后,，測試結(jié)果差距在10μs以內(nèi)，可看出在文件系統(tǒng)延遲中,，處理器頻率的較小差距對內(nèi)核的影響不大,。如采用高主頻的處理器，實驗結(jié)果差距較大,。
4 結(jié)語
本文通過修改APIC時鐘,，可顯著地改進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的實時性能，通過對比試驗可看出改進(jìn)型內(nèi)核具有良好的實時性能,，滿足了系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性要求,。本文方法使得嵌入式Linux系統(tǒng)在高實時性領(lǐng)域中得到實際的應(yīng)用。