改善嵌入式linux实时性能的方法研究

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1、改善嵌入式Linux实时性能的方法研究摘要：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

2、空航天，军事等方面，嵌入式系统都有着非常广泛的应用。嵌入式系统目前主要有：odule）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

3、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100u

4、s，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Linux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

5、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，

6、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，它修改了内核代码中的spinlock宏和中断返回代码，使得当前进程可被安全抢占，当自旋锁释放或者中断线程完成时，调度器就有机会执行调度；低时延补丁是由IngoMalnor提出，该方法只是在执行时间长的代码块上抢占，不采用强制式抢占，因此，如何找到延时长的代码块是解决问题的关键。3.3改善Linux内核实时调度器的调度策略将进入系统的所有任务按实时性分成三类：硬实时、软实时、非实时任务[6]。硬实时要求系统确保任务执行

7、最坏情况下的执行时间，即必须满足实时事件的响应时间的截止期限，否则，将引发致命的错误；软实时是指统计意义上的实时，一般整体吞吐量大或整体响应速度快，但不能保证特定任务在指定时期内完成。针对不同的实时性任务，分别采用不同的调度方法进行处理。为了严格保证硬实时任务的时限要求，改善的Linux内核实时调度器采用了优先级调度算法，目前最小松弛时间优先调度算法MLF（Minimum-Laxity-FirstSchedulingAlgorithm）是动态优先级调度最常见的实时调度策略。它在系统中为每一个任务设定松弛时间（任务的松弛时间等于任务的截止期