改善嵌入式linux实时性能的方法研究论文

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1、改善嵌入式Linux实时性能的方法研究论文摘要：分析了Linux的实时性，针对其在实时应用中的技术障碍，在参考了与此相关研究基础上，从三方面提出了改善Linux实时性能的改进措施。为提高嵌入式应用响应时间精度,提出两种细化Linux时钟粒度方法；为增强系统内核对实时任务的响应能力,采用插入抢占点和修改内核法增强Linux内核的可抢占性；为保证硬实时任务的时限要求，把原Linux的单运行队列改为双运行队列,硬实时任务单独被放在一个队列中,并采用MLF调度算法代替原内核的FIFO调度算法。关键词：Linux；实时性；调度策略；抢占1引言目前，无论是在日常生活，还是在工业控制，航空航天.free

2、ls，使得其时间粒度过大，加大了任务响应延迟。（2）Linux的内核是不可抢占的,当一个任务通过系统调用进入内核态运行时,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。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。（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。针对这些问题，利用Linux作为底层操作系统，必须增强其内核的实时性能，从而构建出一个具有实时处理能力的嵌入式系统，适应嵌入式领域应用的需要。2.3当前增强L

3、inux内核实时性的主流技术近年来，人们对于Linux内核实时性改造提出了一些方法和设想，它们采用了不同的思路和技术方案。归纳总结，支持Linux的硬实时性一般有两种策略5：一种是直接修改Linux内核,.freeleScheduler），替换原有内核中的进程调度器sched.c，KURT是采用这一方案较为成功的实时Linux操作系统；另外一种是在Linux内核之外,以可加载内核模块（LoadableKernelModule）的形式添加实时内核，确保其高响应特性，实时内核接管来自硬件的所有中断，并依据是否是实时任务决定是否直接响应。新墨西哥科技大学的RT-Linux，就是基于这种策略而开发

4、的。以上两种策略有其借鉴之处，但如果综合考虑任务响应、内核抢占性、实时调度策略等几个影响操作系统实时性能的重要方面，它们还不能很好的满足实时性问题。为了增强嵌入式Linux实时性能，下文将就内核时钟精度、内核的抢占性以及内核调度算法等相关问题重点研究相应的解决方法。3改善嵌入式Linux实时性能的方法针对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,主要从下面三个方面进行着手。3.1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

5、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：一是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100us，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；二是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。3.2增强Lin

6、ux内核的抢占性标准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。目前，有两种方法修改Linux内核以提高实时任务抢占非实时任务的能力：一是在内核中增加抢占点的方法；二是直接将Linux内核改造成可抢占式内核。插入抢占点方法是在Linux内核中插入一些抢占点，当一个系统调用执行到抢占点时，如果有更高优先级的实时进程正在等待运行，那么正在执行系统调用的内核进程将会把CPU的控制权转交给等待运行的实时进程；如果没有更高优先级的实时进程等待，则当前进程将继续执行，此时系统增加的开销仅仅是检测一下调度标志。将Linux内核改造成可抢占式内核方

7、法的基本思想是产生运行调度器的机会，缩短任务发生到调度函数运行的时间间隔。这种方法修改了Linux源代码中的自旋锁宏以避免竞争，并在其中引入一个称作抢占锁计数器（PLC）的新的计数信号允许内核代码抢占，当它为0时，允许抢占；当其为大于0的任何值时，禁止抢占。目前，针对这两种修改Linux内核的方法，已经有两种比较成熟的Linux内核补丁被研制出来：抢占式补丁和低时延补丁。其中，抢占式补丁是MontaVista开发的，它修