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浅谈嵌入式Linux实时技术改进
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2017-10-30
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1、简介
随着微处理器技术的发展，嵌入式系统已经成为计算机应用领域的一个重要的组成部分。Linux虽然为分时操作系统，但由于其功能强大、源代码开放以及可移植性强等优势，已成为日益流行的嵌入式实时操作系统的解决方案，然而，在实时方面它还不能很好地满足实时系统方面的需要，其本身仅仅提供了一些实时处理的支持。为使Linux满足实时应用的要求，常用的方法是通过对Linux的内核进行裁减和修改，使其能够满足实时性的要求。目前，我们根据实际需要对于Linux采用以下方法进行改进。
2、实现低延迟
使用两种方法来实现低延迟：一种就是锁分解，即把大循环中保持的锁分解为每一轮循环中都获得锁和释放锁，典型的代码结构示例如下：
另一种是增加抢占点，即自愿被抢占。增加抢占点之后：
语句cond_resched（）将判断是否有进程需要抢占当前进程，如果是将立即发生调度，这就是增加的抢占点，它支持四种抢占模式：
（1）．No Forced Preemption （Server），这种模式等同于没有使能抢占选项的标准内核，主要适用于科学计算等服务器环境。
（2）．Voluntary Kernel Preemption （Desktop），这种模式使能了自愿抢占，但仍然失效抢占内核选项，它通过增加抢占点缩减了抢占延迟，因此适用于一些需要较好的响应性的环境，如桌面环境，当然这种好的响应性是以牺牲一些吞吐率为代价的。
（3）．Preemptible Kernel （Low-Latency Desktop），这种模式既包含了自愿抢占，又使能了可抢占内核选项，因此有很好的响应延迟，实际上在一定程度上已经达到了软实时性。它主要适用于桌面和一些嵌入式系统，但是吞吐率比模式2更低。
（4）．Complete Preemption （Real-Time），这种模式使能了所有实时功能，因此完全能够满足软实时需求，它适用于延迟要求为100微秒或稍低的实时系统。
实现实时是以牺牲系统的吞吐率为代价的，因此实时性越好，系统吞吐率就越低。
3、中断线程化
中断线程化是实现Linux实时性的一个重要步骤，在Linux标准内核中，中断是最高优先级的执行单元，不管内核当时处理什么，只要有中断事件，系统将立即响应该事件并执行相应的中断处理代码，除非当时中断关闭。因此，如果系统有严重的网络或I/O负载，中断将非常频繁，后发生的实时任务将很难有机会运行，也就是说，毫无实时性可言。中断线程化之后，中断将作为内核线程运行而且赋予不同的实时优先级，实时任务可以有比中断线程更高的优先级，这样，实时任务就可以作为最高优先级的执行单元来运行，即使在严重负载下仍有实时性保证。
中断线程化的另一个重要原因是spinlock被mutex取代。中断处理代码中大量地使用了spinlock，当spinlock被mutex取代之后，中断处理代码就有可能因为得不到锁而需要被挂到等待队列上，但是只有可调度的进程才可以这么做，如果中断处理代码仍然使用原来的spinlock，则spinlock取代mutex的努力将大打折扣，因此为了满足这一要求，中断必须被线程化，包括IRQ和softirq。
中断线程化的实现方法是：对于IRQ，在内核初始化阶段init（该函数在内核源码树的文件init/main.c中定义）调用init_hardirqs（该函数在内核源码树的文件kernel/irq/manage.c中定义）来为每一个IRQ创建一个内核线程，IRQ号为0的中断赋予实时优先级49，IRQ号为1的赋予实时优先级48，依次类推直到25，因此任何IRQ线程的最低实时优先级为25。原来的do_IRQ被分解成两部分，架构相关的放在类似于arch/*/kernel/irq.c的文件中，名称仍然为do_IRQ，而架构独立的部分被放在IRQ子系统的位置kernel/irq/handle.c中，名称为_do_IRQ。当发生中断时，CPU将执行do_IRQ来处理相应的中断，do_IRQ将做了必要的架构相关的处理后调用_do_IRQ。函数_do_IRQ将判断该中断是否已经被线程化（如果中断描述符的状态字段不包含SA_NODELAY标志说明中断被线程化了），如果是将唤醒相应的处理线程，否则将直接调用handle_IRQ_event（在IRQ子系统位置的kernel/irq/handle.c文件中）来处理。对于已经线程化的情况，中断处理线程被唤醒并开始运行后，将调用do_hardirq（在源码树的IRQ子系统位置的文件kernel/irq/manage.c中定义）来处理相应的中断，该函数将判断是否有中断需要被处理（中断描述符的状态标志IRQ_INPROGRESS），如果有就调用handle_IRQ_event来处理。handle_IRQ_event将直接调用相应的中断处理句柄来完成中断处理。
随着微处理器技术的发展，嵌入式系统已经成为计算机应用领域的一个重要的组成部分。Linux虽然为分时操作系统，但由于其功能强大、源代码开放以及可移植性强等优势，已成为日益流行的嵌入式实时操作系统的解决方案，然而，在实时方面它还不能很好地满足实时系统方面的需要，其本身仅仅提供了一些实时处理的支持。为使Linux满足实时应用的要求，常用的方法是通过对Linux的内核进行裁减和修改，使其能够满足实时性的要求。目前，我们根据实际需要对于Linux采用以下方法进行改进。
2、实现低延迟
使用两种方法来实现低延迟：一种就是锁分解，即把大循环中保持的锁分解为每一轮循环中都获得锁和释放锁，典型的代码结构示例如下：
另一种是增加抢占点，即自愿被抢占。增加抢占点之后：
语句cond_resched（）将判断是否有进程需要抢占当前进程，如果是将立即发生调度，这就是增加的抢占点，它支持四种抢占模式：
（1）．No Forced Preemption （Server），这种模式等同于没有使能抢占选项的标准内核，主要适用于科学计算等服务器环境。
（2）．Voluntary Kernel Preemption （Desktop），这种模式使能了自愿抢占，但仍然失效抢占内核选项，它通过增加抢占点缩减了抢占延迟，因此适用于一些需要较好的响应性的环境，如桌面环境，当然这种好的响应性是以牺牲一些吞吐率为代价的。
（3）．Preemptible Kernel （Low-Latency Desktop），这种模式既包含了自愿抢占，又使能了可抢占内核选项，因此有很好的响应延迟，实际上在一定程度上已经达到了软实时性。它主要适用于桌面和一些嵌入式系统，但是吞吐率比模式2更低。
（4）．Complete Preemption （Real-Time），这种模式使能了所有实时功能，因此完全能够满足软实时需求，它适用于延迟要求为100微秒或稍低的实时系统。
实现实时是以牺牲系统的吞吐率为代价的，因此实时性越好，系统吞吐率就越低。
3、中断线程化
中断线程化是实现Linux实时性的一个重要步骤，在Linux标准内核中，中断是最高优先级的执行单元，不管内核当时处理什么，只要有中断事件，系统将立即响应该事件并执行相应的中断处理代码，除非当时中断关闭。因此，如果系统有严重的网络或I/O负载，中断将非常频繁，后发生的实时任务将很难有机会运行，也就是说，毫无实时性可言。中断线程化之后，中断将作为内核线程运行而且赋予不同的实时优先级，实时任务可以有比中断线程更高的优先级，这样，实时任务就可以作为最高优先级的执行单元来运行，即使在严重负载下仍有实时性保证。
中断线程化的另一个重要原因是spinlock被mutex取代。中断处理代码中大量地使用了spinlock，当spinlock被mutex取代之后，中断处理代码就有可能因为得不到锁而需要被挂到等待队列上，但是只有可调度的进程才可以这么做，如果中断处理代码仍然使用原来的spinlock，则spinlock取代mutex的努力将大打折扣，因此为了满足这一要求，中断必须被线程化，包括IRQ和softirq。
中断线程化的实现方法是：对于IRQ，在内核初始化阶段init（该函数在内核源码树的文件init/main.c中定义）调用init_hardirqs（该函数在内核源码树的文件kernel/irq/manage.c中定义）来为每一个IRQ创建一个内核线程，IRQ号为0的中断赋予实时优先级49，IRQ号为1的赋予实时优先级48，依次类推直到25，因此任何IRQ线程的最低实时优先级为25。原来的do_IRQ被分解成两部分，架构相关的放在类似于arch/*/kernel/irq.c的文件中，名称仍然为do_IRQ，而架构独立的部分被放在IRQ子系统的位置kernel/irq/handle.c中，名称为_do_IRQ。当发生中断时，CPU将执行do_IRQ来处理相应的中断，do_IRQ将做了必要的架构相关的处理后调用_do_IRQ。函数_do_IRQ将判断该中断是否已经被线程化（如果中断描述符的状态字段不包含SA_NODELAY标志说明中断被线程化了），如果是将唤醒相应的处理线程，否则将直接调用handle_IRQ_event（在IRQ子系统位置的kernel/irq/handle.c文件中）来处理。对于已经线程化的情况，中断处理线程被唤醒并开始运行后，将调用do_hardirq（在源码树的IRQ子系统位置的文件kernel/irq/manage.c中定义）来处理相应的中断，该函数将判断是否有中断需要被处理（中断描述符的状态标志IRQ_INPROGRESS），如果有就调用handle_IRQ_event来处理。handle_IRQ_event将直接调用相应的中断处理句柄来完成中断处理。
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