论文摘要：通过分析嵌入式Linux在实时性方面的缺陷和不足，针对细化时钟粒度、可抢占式内核体系结构、中断软件模拟和实时调度策略等问题进行研究，提出了相应的实时性改进方法及宏观调度结构，拓展了实时系统的应用范围。
论文关键词：嵌入式系统,实时性,抢占,调度策略
一、引言
Linux以其功能强大、源代码开放、支持多种硬件平台、模块化设计方案及丰富的开发工具支持等特点广泛应用在嵌入式系统领域。作为嵌入式产品的操作系统平台，Linux具有较好的实时性、系统可靠性、任务处理随机性。但由于其在实时应用领域的技术障碍，要应用在嵌入式领域，还必须对Linux内核作必要的改进。本文首先分析了实时系统的特点和Linux内核在实时应用方面的不足，然后针对影响操作系统实时性能的若干方面进行研究，提出解决方案。
二、实时系统的分类
实时操作系统贵在实时，要求在规定的时间内完成某种操作。因此实时系统最重要的特点就是实时性，即系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果的正确性，还取决于输出结果时间的及时性。从这个角度看，实时系统是“一个能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部环境做出响应的系统”。按对实时性能要求的程度，实时系统可分为两类：
1．硬实时系统：要求可确定性强，具有明确的实时约束，在某个限定的时刻之前不能完成任务将造成灾难性的后果。因此，在这类系统的设计和实现过程中，应采用各种分析、模拟及形式化验证方法对系统进行严格的检验，以保证在各种情况下应用的时间需求和功能需求都能够得到满足。
2．软实时系统：也对时间敏感，当某些应用虽然提出了时间要求，但偶尔发生不能满足严格实时要求的情况也是允许的。因此，某些应用虽然提出了时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统的运行以及环境不会造成严重影响。
三、Linux在实时应用中的技术障碍
尽管Linux本身提供了一些支持实时性的机制，但是由于其最初的设计目标为通用分时操作系统，并且Linux系统是以高的吞吐量和公平性为追求目标，基本上没有考虑实时应用所要满足的时间约束，它只是提供了一些相对简单的任务调度策略。因此，实时性问题是将Linux应用于嵌入式系统开发的一大障碍，无法在硬实时系统中得到应用，作为一个实时操作系统，Linux仍然存在如下缺陷：
1．Linux的内核是不可抢占的。Linux分为用户态和核心态两种模式，当进程运行在用户态时，可被优先级更高的进程抢占，但当它进入核心态时，其他用户态进程优先级再高也不能抢占它，这将导致优先级逆转，实时任务执行时间的不确定性，显然不能满足硬实时应用的要求。
2．Linux系统时钟精度太过粗糙。时钟管理是操作系统的脉搏，任务的执行和中止在很多情况下都是由时钟直接或间接唤起的，它是进程调度的重要依据。Linux的周期模式定时器频率仅为100Hz，使得其时间粒度过大，加大了任务响应延迟，远不能满足实时应用的要求。
3．Linux采用对临界区操作时屏蔽中断的方式，在中断处理中是不允许进行任务调度的，从而抑制了系统及时响应外部操作的能力。
4．缺乏有效的实时任务调度机制和调度算法。
5．Linux虽然给实时进程提供了较高的优先级，但是没有加入时间限制。例如：完成的最后期限、应在多长时间内完成、执行周期等等。同时，其他大量的非实时进程也可能对实时进程造成阻塞，无法确保实时进程的响应时间。
四、改进内核实时性的分析与研究
针对Linux在实时应用中的技术障碍，将Linux改造成为支持实时任务的嵌入式操作系统，主要从细化时钟粒度、可抢占式内核体系结构、中断软件模拟和实时任务的调度策略这四个方面对嵌入式Linux内核进行研究，并给出了相应的提高实时性的方法。
1．细化时钟粒度
精确的计时是实时调度器正确操作所必须的，调度器通常要求在一个特定的时刻进行任务切换，计时的错误将导致背离计划的调度，引起任务释放抖动。标准Linux系统时钟精度太过粗糙，时钟中断周期为10ms，不能满足特定嵌入式应用领域中对于响应时间精度的要求。因此，在实时Linux应用中，需要细化其时钟粒度，具体有两种方式可以解决时钟粒度问题：
（1）通过直接修改内核定时参数Hz的初值来细化时钟粒度，如将标准Linux中内核定时参数Hz改为10000，则时钟粒度可以达到100μs，这种方式虽然会增加一些系统开销，但在强周期性环境下，对定时器的设置只需初始化一次，在一定程度上保证了处理效率。
（2）通过对可编程中断定时器8254或先进的可编程中断控制器进行编程来改进Linux时钟机制，以提高其时钟的分辨率，使毫秒级的粗粒度定时器变成微秒级的细粒度定时器。
2．增强Linux可抢占性内核机制
标准Linux内核是不可抢占的，导致较大的延迟，增强内核的可抢占性能，可提高系统内核对实时任务的响应能力。为了解决Linux实现硬实时的最大障碍，使Linux内核成为完全可被抢占实时内核，典型的实现方案是双核结构。使用实时核来运行实时任务，Linux内核来运行非实时任务。如图1所示。
图1双内核结构
对于Linux内核的修改主要集中在三方面：
（1）在Linux内核中影响实时性的地方增加控制点，使内核在控制点可以被抢占，减少内核抢占延迟。 1/2 1 2 下一页 尾页 |
