引言
Linux支持PowerPC、MIPS、ARM、DSP等多種嵌入式處理器，逐漸被用于多種關鍵性場合。其中實時多媒體處理、工業(yè)控制、汽車電子等特定應用對Linux提出了強實時性需求。Linux提供了一些實時擴展，但需要進行實時性改造。本文針對嵌入式Linux實時化技術中的一些關鍵問題進行了討論，如Linux內核時延，實時化主流技術方案及其評價等。
Linux內核時延
主流Linux雖然部分滿足POSIX 1003.1b實時擴展標準，但還不完全是一個實時操作系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為：
● 任務調度與內核搶占
2.6版本內核添加了許多搶占點，使進程執(zhí)行在內核代碼時也可被搶占。為支持內核代碼可搶占，在2.6版內核中通過采用禁用中斷的自旋鎖來保護臨界區(qū)。但此時如果有低優(yōu)先級進程在臨界區(qū)中執(zhí)行，高優(yōu)先級進程即使不訪問低優(yōu)先級所保護的臨界區(qū)，也必須等待低優(yōu)先級進程退出臨界區(qū)。
● 中斷延遲
在主流Linux內核設計中，中斷可以搶占最高優(yōu)先級的任務，使高優(yōu)先級任務被阻塞的最長時間不確定。而且，由于內核為保護臨界區(qū)需要關閉中斷，更加增長了高優(yōu)先級任務阻塞時間。
● 時鐘精度
Linux通過硬件時鐘編程來產生毫秒級周期性時鐘中斷進行內核時間管理，無法滿足實時系統(tǒng)較高精度的調度要求。內核定時器精度同樣也受限于時鐘中斷，無法滿足實時系統(tǒng)的高精度定時需求。
● 其他延遲
此外，Linux內核其他子系統(tǒng)也存在多種延遲。比如為了增強內核性能和減少內存消耗，Linux僅在需要時裝載程序地址空間相應的內存頁。當被存取內容(如代碼)不在RAM中則內存管理單元(MMU)將產生頁表錯誤(Page-Fault)觸發(fā)頁面裝載，造成實時進程響應時間不確定。
Linux實時化技術發(fā)展
主流Linux內核1.x、2.2.x和2.4.x版本的Linux內核無搶占支持，直到2.6版本的Linux內核才支持可搶占內核，支持臨界區(qū)外的內核搶占和可搶占的大內核鎖。在此基礎上，Linux采用了下列兩類實時化技術。
● 雙內核方式
Linux內核實時化雙內核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等為典型代表。其中RTLinux實現(xiàn)了一個微內核實時操作系統(tǒng)支持底層任務管理、中斷服務例程、底層任務通信隊列等。普通Linux作為實時操作系統(tǒng)的最低優(yōu)先級任務，Linux下的任務通過FIFO命名管道和實時任務進行通信，如圖1所示。
當Linux要關閉中斷時，實時微內核會截取并記錄這個請求，通過軟件來模擬中斷控制器，而沒有真正關閉硬件中斷，避免了由于關中斷所造成的響應延遲。RT-Linux將系統(tǒng)實時時鐘設置為單次觸發(fā)模式，提供微秒級的時鐘精度。RTAI類似RTLinux的實現(xiàn)方式，不同之處在于它修改了體系結構相關代碼，形成一個實時硬件抽象層(RTHAL)，使其實時任務能在任何時刻中斷普通Linux任務，兩者之間通過非阻塞隊列進行通訊。RTAI將直接修改Linux內核的代碼減至最少，具有更好的可移植性。Xenomai以RTAI為基礎，也稱RTAI /Fusion。采用了Adeos微內核替代RTAI的硬件抽象層。其特色還在于模仿了傳統(tǒng)RTOS的API接口，推動傳統(tǒng)RTOS應用在GNU/Linux下的移植。類似還有基于Fiasco微內核的L4Linux等開源項目。
● 內核補丁方式
雙內核實時方案下，實時任務需要按照微內核實時操作系統(tǒng)提供的另外一套API進行設計。而內核補丁方式則不改變Linux的API，原有應用程序可在實時化后的操作系統(tǒng)上運行，典型的有早期研究性的Kurt-Linux和Red-Linux，商業(yè)版本的MontaVista、TimeSys 和Wind River Linux，以及現(xiàn)階段Ingo Monlnar等人開發(fā)的實時搶占補丁內核等[3]。
Kurt-Linux是第一個基于普通Linux的實時操作系統(tǒng)。通過正常態(tài)、實時態(tài)和混合態(tài)進行實時和非實時任務的劃分。RED-Linux通過任務多種屬性和調度程序，可以實現(xiàn)多種調度算法。采用軟件模擬中斷管理，并在內核插入了許多搶占點，提高了系統(tǒng)調度精度。
MontaVista Linux在低延遲補丁以及可搶占內核補丁基礎上[4]，通過開發(fā)內核O(1)實時調度程序并對可搶占內核進行了改進和測試，Linux 2.4內核時代，MontaVista Linux 作為商業(yè)成熟產品在實時性上有較強的優(yōu)勢。TimeSys Linux通過內核模塊的方式也提供了高精度時鐘、優(yōu)先級繼承mutex等支持。
2.6版本的主流內核吸收了以上技術，支持CONFIG_PREEMPT_NONE，CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY和CONFIG_PREEMPT等多種配置選項。分別適合于計算型任務系統(tǒng)，桌面用戶系統(tǒng)和毫秒級延遲嵌入式系統(tǒng)。2005年，針對2.6內核MontaVista推出了實時Linux計劃，推進了Linux內核實時化進程。隨后Ingo Molnar發(fā)布了新的實時搶占補丁，并逐漸成為Linux內核實時主流技術，也為包括MontaVista Linux，Wind River Linux采用和補充，本文后續(xù)內容要涉及實時搶占補丁。
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