实时 Linu 架构剖析.doc

Linux? 的速度或效率都非常不错，只是在一些情况下，这样的速度还不能满足需求。我们需要的是在特定的容差范围内确定性地满足调度期限的能力。本文将揭示各种实现实时 Linux 的可选方案以及它们如何实现实时性 — 从早期的模仿虚拟化解决方案的架构到如今标准 2.6 内核中可用的选项。 本文探索了一些支持实时特性的 Linux 架构，并探讨了实时架构 的含意是什么。有许多种解决方案赋予 Linux 实时能力，本文将对瘦内核（或微内核）方法、超微内核方法以及资源内核（resource-kernel）方法进行考查。最后,描述了标准 2.6 内核的实时功能，并向您示范如何启用并使用这种功能。 实时的定义及要求 下列实时 的定义为探讨实时 Linux 架构提供了基础。定义由 Donal Gillies 在 Realtime Computing FAQ 中提出（参见 参考资料 的链接）。 实时系统指系统的计算正确性不仅取决于计算的逻辑正确性，还取决于产生结果的时间。如果未满足系统的时间约束，则认为系统失效。 换句话说，系统面对变化的负载（从最小到最坏的情况）时必须确定性地保证满足时间要求。注意，上述定义并未提到性能，原因是实时性与速度关系不大：它与可预见性有关。例如，使用快速的现代处理器时，Linux 可以提供 20 μ 微秒的典型中断响应，但有时候响应会变得很长。这是一个基本的问题：并不是 Linux 不够快或效率不够高，而是因为它不能提供确定性。 一些例子将演示全部这些内容的含意。图 1 显示的是中断延迟指标。当中断到达时（event），CPU 发生中断并转入中断处理。执行一些工作以确定发生了什么事件，然后执行少量工作分配必需的任务以处理此事件（上下文切换）。中断到达与分发必需任务之间的时间（假设分配的是优先级最高的任务）称为响应时间。对于实时性要求，响应时间应是确定的并应当在已知的最坏情况的时间内完成。 上下文切换发生中断后分配新任务的过程中隐含着上下文切换。这个过程在中断时存储 CPU 的当前状态，然后恢复一项给定任务的状态。上下文切换依赖于操作系统及底层的处理器架构。 图 1. 中断延迟和响应时间 有关这个过程的一个例子就是目前汽车中使用的气囊。当报告车辆碰撞的传感器中断 CPU 后，操作系统应快速地分配展开气囊的任务，并且不允许其他非实时处理进行干扰。晚一秒钟展开气囊比没有气囊的情况更糟糕。 除为中断处理提供确定性外，实时处理也需要支持周期性间隔的任务调度。考虑图 2。本图演示了周期性任务调度。大量控制系统要求周期性采样与处理。某个特定任务必须按照固定的周期（p）执行，从而确保系统的稳定性。考虑一下汽车的防抱死系统（ABS）。控制系统对车辆的每个车轮的转速进行采样（每秒最多 20 次）并控制每个制动器的压力（防止它锁死）。为了保持控制系统的正常工作，传感器的采样与控制必须按照一定的周期间隔。这意味着必须抢占其他处理，以便 ABS 任务能按照期望的周期执行。 图 2. 周期性任务调度 硬实时与软实时系统 能够在指定的期限完成实时任务（即便在最坏的处理负载下也能如此）的操作系统称为硬实时 系统。但并不是任何情况下都需要硬实时支持。如果操作系统在平均情况下能支持任务的执行期限，则称它为软实时 系统。硬实时系统指超过截止期限后将造成灾难性后果（例如展开气囊过晚或制动压力产生的滑行距离过长）的系统。软实时系统超过截止期限后并不会造成系统整体失败（如丢失视频中的一帧）。 现在您已经对实时性要求有了一些深入了解，让我们查看一些实时 Linux 架构各支持哪个级别的实时性以及如何做到这一点。  回页首 瘦内核方法 瘦内核（或微内核）方法使用了第二个内核作为硬件与 Linux 内核间的抽象接口（见图 3）。非实时 Linux 内核在后台运行，作为瘦内核的一项低优先级任务托管全部非实时任务。实时任务直接在瘦内核上运行。 图 3. 硬实时的瘦内核方法 瘦内核主要用于（除了托管实时任务外）中断管理。瘦内核截取中断以确保非实时内核无法抢占瘦内核的运行。这允许瘦内核提供硬实时支持。 虽然瘦内核方法有自己的优势（硬实时支持与标准 Linux 内核共存），但这种方法也有缺点。实时任务和非实时任务是独立的，这造成了调试困难。而且，非实时任务并未得到 Linux 平台的完全支持（瘦内核执行称为瘦 的一个原因）。 使用这种方法的例子有 RTLinux (现在由 Wind River Systems 专有），实时应用程序接口（RTAI）和 Xenomai。  回页首 超微内核方法 这里瘦内核方法依赖于包含任务管理的最小内核，而超微内核法对内核进行更进一步的缩减。通过这种方式，它不像是一个内核而更