嵌入式 Linux 实时化技术 黄武陵[1] 何小庆[2] 艾云峰[3]
[1]中科院自动化所,北京100190 [2]北京麦克泰软件技术有限公司,北京100086 [3]中科院研究生院,北京100049 《电子产品世界》2009年第2期   摘要： Linux 已经被移植到多种 嵌入式 处理器，并得到广泛应用。主流内核实时性能不断增强，但在工业控制等特定场合仍无法满足强实时性需求。本文分析了 Linux 内核时延和实时化主流技术，对实时抢占内核技术进行了分析和评测。
关键词： Linux 内核延迟分析；内核实时化技术；实时抢占内核分析； Linux 实时性 引言 　　 Linux 支持 PowerPC 、 MIPS 、 ARM 、 DSP 等多种 嵌入式 处理器，逐渐被用于多种关键性场合。其中实时多媒体处理、工业控制、汽车电子等特定应用对 Linux 提出了强实时性需求 [1] 。 Linux 提供了一些实时扩展，但需要进行实时性改造。本文针对 嵌入式 Linux 实时化技术中的一些关键问题进行了讨论，如 Linux 内核时延，实时化主流技术方案及其评价等。 Linux 内核时延 　　主流 Linux 虽然部分满足 POSIX 1003.1b 实时扩展标准，但还不完全是一个实时操作系统，主要表现为： 　　 * 任务调度与内核抢占 　　 2.6 版本内核添加了许多抢占点，使进程执行在内核代码时也可被抢占。为支持内核代码可抢占，在 2.6 版内核中通过采用禁用中断的自旋锁来保护临界区。但此时如果有低优先级进程在临界区中执行，高优先级进程即使不访问低优先级所保护的临界区，也必须等待低优先级进程退出临界区。 　　 * 中断延迟 　　在主流 Linux 内核设计中，中断可以抢占最高优先级的任务，使高优先级任务被阻塞的最长时间不确定。而且，由于内核为保护临界区需要关闭中断，更加增长了高优先级任务阻塞时间。 　　 * 时钟精度 　　 Linux 通过硬件时钟编程来产生毫秒级周期性时钟中断进行内核时间管理，无法满足实时系统较高精度的调度要求。内核定时器精度同样也受限于时钟中断，无法满足实时系统的高精度定时需求。 　　 * 其他延迟 　　此外， Linux 内核其他子系统也存在多种延迟。比如为了增强内核性能和减少内存消耗， Linux 仅在需要时装载程序地址空间相应的内存页。当被存取内容（如代码）不在 RAM 中则内存管理单元（ MMU ）将产生页表错误（ Page-Fault ）触发页面装载，造成实时进程响应时间不确定。 Linux 实时化技术发展 　　主流 Linux 内核 1.x 、 2.2.x 和 2.4.x 版本的 Linux 内核无抢占支持，直到 2.6 版本的 Linux 内核才支持可抢占内核，支持临界区外的内核抢占和可抢占的大内核锁。在此基础上， Linux 采用了下列两类实时化技术。 　　 * 双内核方式 　　 Linux 内核实时化双内核方式以 RTLinux 、 RTAI 和 Xenomai 等为典型代表。其中 RT-Linux 实现了一个微内核实时操作系统支持底层任务管理、中断服务例程、底层任务通信队列等。普通 Linux 作为实时操作系统的最低优先级任务， Linux 下的任务通过 FIFO 命名管道和实时任务进行通信，如图 1 所示。
图 1 双内核架构的 Linux 实时化技术 　　当 Linux 要关闭中断时，实时微内核会截取并记录这个请求，通过软件来模拟中断控制器，而没有真正关闭硬件中断，避免了由于关中断所造成的响应延迟。 RT-Linux 将系统实时时钟设置为单次触发模式，提供微秒级的时钟精度。 RTAI 类似 RTLinux 的实现方式，不同之处在于它修改了体系结构相关代码，形成一个实时硬件抽象层（ RTHAL) ，使其实时任务能在任何时刻中断普通 Linux 任务，两者之间通过非阻塞队列进行通讯。 RTAI 将直接修改 Linux 内核的代码减至最少，具有更好的可移植性。 Xenomai 以 RTAI 为基础，也称 RTAI /Fusion 。采用了 Adeos 微内核替代 RTAI 的硬件抽象层 [11] 。其特 {MOD}还在于模仿了传统 RTOS 的 API 接口，推动传统 RTOS 应用在 GNU/Linux 下的移植。类似还有基于 Fiasco 微内核的 L4Linux 等开源项目 [12] 。 　　 * 内核补丁方式 　　双内核实时方案下，实时任务需要按照微内核实时操作系统提供的另外一套 API 进行设计。而内核补丁方式则不改变 Linux 的 API ，原有应用程序可在实时化后的操作系统上运行，典型的有早期研究性的 Kurt-Linux 和 Red-Linux ，商业版本的 MontaVista [2] 、 TimeSys 和 Wind River Linux ，以及现阶段 Ingo Monlnar 等人开发的实时抢占补丁内核等 [3] 。 　　 Kurt-Linux 是第一个基于普通 Linux 的实时操作系统。通过正常态、实时态和混合态进行实时和非实时任务的划分。 RED-Linux 通过任务多种属性和调度程序，可以实现多种调度算法。采用软件模拟中断管理，并在内核插入了许多抢占点，提高了系统调度精度。 　　 MontaVista Linux 在低延迟补丁以及可抢占内核补丁基础上 [4] ，通过开发内核 O(1) 实时调度程序并对可抢占内核进行了改进和测试， Linux