有关嵌入式Linux实时性

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先贴两个相关介绍和优化策略，我们需要确定采用嵌入式Linux系统，其实时性是否能满足我们的要求，大家积极发表个人见解

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2013-5-15 10:24 上传

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嵌入式Linux的实时性分析
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2013-5-15 10:27 上传

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　　引言
　　嵌入式 Linux是以Linux为基础的嵌入式作业系统，它被广泛应用在移动电话、个人数字助理（PDA）、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域中……
　　嵌入式系统出现于60年代晚期，它最初被用于控制机电电话交换机，如今已被广泛的应用于工业制造、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等众多领域。计算机系统核心CPU，每年在全球范围内的产量大概在二十亿颗左右，其中超过80％应用于各类专用性很强的嵌入式系统。一般的说，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。
　　本文采用APIC时钟修改的方法对Linux内核进行实时化改造，修改APIC中断函数，将APIC中断和8254中断排序，使得硬实时中断的优先级大于普通8254中断。通过多组仿真实验，验证了该改造方法是有效的。
　　1 嵌入式Linux的实时性分析
　　Linux设计的初衷是系统吞吐量的平衡，其内核试图通过一种公平分配的策略来实现各进程平均地共享系统资源：
　　（1）内核的不可抢占性：Linux的内核在单处理器上不可抢占，当一个任务进入内核态运行时，一个具有更高优先级的进程，只有等待处于核心态的系统调用返回后方能执行，这将导致优先级逆转。
　　（2）进程调度的不可抢占性：Linux作为一个分时系统，采用多级反馈轮转调度算法，它保证了每一个进程都有一种调度策略，但是都放在同一个队列中运行，这也是Linux作为实时操作系统的一个弱点。图1是Linux调度机制框图。
　　（3）时钟中断的精度不高：Linux 2.4.X内核的时钟中断周期为10 ms，时钟粒度太过于粗糙，不能满足实时性要求。
　　（4）Linux的虚拟存储管理：Linux采用段和页机制的虚拟存储管理技术，进程在硬盘和内存间的换入换出必然带来额外的开销，造成很大的延迟。

　　由此可见，要将Linux应用于嵌入式系统，必须对其进行实时化改造，以适应嵌入式领域要求。
　　2 嵌入式Linux系统特点应用
　　就是利用Linux其自身的许多特点，把它应用到嵌入式系统里。
　　Linux做嵌入式的优势，首先，Linux是开放源代码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发者的强大技术支持；其次，Linux的内核小、效率高，内核的更新速度很快，linux是可以定制的，其系统内核最小只有约134KB。第三，Linux是免费的OS，在价格上极具竞争力。 Linux还有着嵌入式操作系统所需要的很多特色，突出的就是Linux适应于多种CPU和多种硬件平台，是一个跨平台的系统。到目前为止，它可以支持二三十种CPU。而且性能稳定，裁剪性很好，开发和使用都很容易。很多CPU包括家电业芯片，都开始做Linux的平台移植工作。移植的速度远远超过Java的开发环境。也就是说，如果今天用Linux环境开发产品，那么将来换CPU就不会遇到困扰。同时，Linux内核的结构在网络方面是非常完整的，Linux对网络中最常用的TCP/IP协议有最完备的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线网络，Toker ring（令牌环网）、光纤甚至卫星的支持。所以Linux很适于做信息家电的开发。
　　还有使用Linux为的是来开发无线连接产品的开发者越来越多。Linux在快速增长的无线连接应用主场中有一个非常重要的优势，就是有足够快的开发速度。这是因为LInux有很多工具，并且Linux为众多程序员所熟悉。因此，我们要在嵌入式系统中使用Linux操作系统。
　　3 基于时钟修改的内核改造方案
　　在单CPU系统中，与时间有关的活动都是由8254时钟芯片来驱动的，8254产生0号中断。直接修改内核定时参数HZ的初值就可构造细粒度定时器。这种方式实现起来很简单，但是由此带来频繁的定时中断使得系统的开销很大，当然随着硬件速度的提高，这种开销会逐步降低。
　　Linux是最受欢迎的自由电脑操作系统内核。它是一个用C语言和汇编语言写成，符合POSIX标准的类Unix操作系统。Linux最早是由芬兰黑客林纳斯。托瓦兹（Linus B. Torvalds）为尝试在英特尔x86架构上提供自由免费的类Unix操作系统而开发的。该计划开始于1991年，林纳斯·托瓦兹当时在Usenet新闻组comp.os.minix登载帖子，这份着名的帖子标示着Linux计划的正式开始。
　　简单地修改赫兹参数HZ进行实时化的方法显然并不可取。Linux 2.6内核的时钟粒度是1 ms，但仍然与嵌入式领域的实时化要求差距较远，因此需要更高精度的时钟。本文利用先进的APIC时钟实现一个高精度时钟系统，提供了高精度的中断响应，从而以较少的改动获得较高的实时性。
　　APIC 是装置的扩充组合用来驱动 Interrupt 控制器。在目前的建置中，系统的每一个部份都是经由 APIC Bus 连接的。"本机 APIC" 为系统的一部份，负责传递 Interrupt 至指定的处理器；举例来说，当一台机器上有三个处理器则它必须相对的要有三个本机 APIC。自 1994 年的 Pentium P54c 开始Intel 已经将本机 APIC 建置在它们的处理器中。实际建置了 Intel 处理器的电脑就已经包含了 APIC 系统的部份。
　　系统中另一个重要的部份为 I/O APIC。系统中最多可拥有 8 个 I/O APIC。它们会收集来自 I/O 装置的 Interrupt 讯号且在当那些装置需要 interrupt 时传送讯息至本机 APIC。每个 I/O APIC 有一个专有的 interrupt 输入 （或 IRQ） 号码。Intel 过去与目前的 I/O APIC 通常有 24 个输入 -- 其它的可能有多逹 64 个。而且有些机器拥有数个 I/O APIC，每一个分别有自己的输入号码，加起来一台机器上会有上百个 IRQ 可供装置 Interrupt 使用。
　　APIC本身提供了中断处理函数apic_timer_interrupt，该函数包括Irq_enter（），Run_realtimer_queue（）和irq_exit（），其中函数irq_ exit通常负责判断当前是否有8254产生的软中断存在，如果存在，就会触发8254软中断，这样会造成APIC硬中断处理延迟。本文的思路就是修改irq_exit，在其中将各软中断线程和硬中断线程进行排序，使APIC硬中断的优先级高于软中断，此时硬中断线程得到优先处理，从而提高内核的实时性能。Irp_exit函数的核心代码如下：

　　上面调用invoke_softirq（）函数执行软中断使本文修改的重点，修改中断向量表，对向量表中所有软中断和实时中断进行排序，提前硬中断的时间片，这样使当前处于pending状态的软中断被屏蔽和悬挂，直到硬中断处理完成为止。将invoke_softirq（）函数修改为：

　　每个处理器时间片上能够处理的中断只有一个，通过更新当前任务时间片，使硬中断在第一时间获得CPU的响应，此时软中断将被屏蔽，这就保证了硬中断能够得到实时的响应。
　　由于Linux采用8254完成时序分配，8254需要保留以保证系统的稳定性。这样的话，8254定时器和APIC必须共存，对于硬实时应用，可采用APIC时钟进行计时。在8254中断过程中，如果产生APIC中断，采用通过本文的方珐必须对优先对APIC时钟进行响应，会出现8254中断被抢占，此时上下文切换等操作可能导致不可预料的错误。解决问题的方法可采取在APIC相应中断期间，关闭软中断，只有当APIC中断执行完毕后，8254软中断才能够被响应。
　　4 实时性能测试与分析
　　实验条件1：CPU：PⅢ300 MHz，内存为128 MB，硬盘为5 400转的15 GB台式机硬盘，操作系统为Fedora2.6.18内核。环境一（vd-d1）采用原版内核，环境二（vd-d2）采用改进型内核。测试方法为通过测试内核的上、下文切换、内存延迟及模拟外部中断来评价改造前后的性能。统计测试结果，如图2、图3所示。

　　从实验结果可知，在上、下文切换中I/0读/写和文件打开和关闭，改进型内核的实时性能都有明显提高，模拟TCP通道子项，改进型内核性能提高了约6倍，但在对中断响应要求不是很高的null call测试中，随着处理器负荷的进一步加重，原始内核的内存延迟急剧增加。在最差情况下，系统响应速度较慢，延迟时间达到5μs。而改进型内核在处理器负荷变化时，系统的响应速度变化不明显，而且中断响应速度始终稳定在2μs以下，性能稳定。
　　实验条件2：采用改进型内核，环境一（vd-d2）CPU：PIII 300 MHz，环境二（vd-d3）CPU降频为200 MHz（接近ARM9）。统计测试结果，获得它们的文件系统延迟结果见图4。图4反映了同样采用改进型内核，将CPU降频前后，测试结果差距在10μs以内，可看出在文件系统延迟中，处理器频率的较小差距对内核的影响不大。如采用高主频的处理器，实验结果差距较大。

　　5 结语
　　本文通过修改APIC时钟，可显着地改进嵌入式系统的实时性能，通过对比试验可看出改进型内核具有良好的实时性能，满足了系统实时性和稳定性要求。本文方法使得嵌入式Linux系统在高实时性领域中得到实际的应用。

duan_dzj

学习。学习。哈哈哈哈哈

andyxjsh

好好学习!

yxtdthg

学习。学习

urenhu

Why 10ms is not good enough in your design? In the project I involved year ago, we designed event recording system based on ARM/200MHz/128MRAM/128M-NOR SBC. The system acquires 200 DI and 30 AI every 10ms and stored in USB/NAND. In real world, 10ms gives lot of detail on geograhical and physical changes. Can you share little detail?

thu_zgy

看一看罗~

huozan1985

学习了

k331922164

不错，学习了。