基于APIC時鐘的嵌入式Linux內核實時化研究

引言

嵌入式Linux是指對Linux進行剪裁后，將其固化在單片機或者存儲器中，應用于特定場合的專用Linux系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)要求實時性能高，但Linux為分時系統(tǒng)設計的操作系統(tǒng)，盡管最新的內核在實時性能方面有所提高，但它仍然不是一個實時系統(tǒng)，在很多場合不能滿足實時性要求。一般地，通過改造Linux的內核以提高其實時性能有2種策略：一種是采用底層編程的方法對Linux內核進行修改(如調度算法、時鐘修改等)，典型的系統(tǒng)有Kansas大學開發(fā)的KURT。文獻提出了搶占式內核調度算法，容易引起內核優(yōu)先級翻轉，文獻針對非搶占式內核，增加搶占點，該方法需要優(yōu)秀的調度算法。另一種途徑是Linux的外部實時性擴展，在原有Linux基礎上再設計一個用于專門處理實時進程的內核，典型的系統(tǒng)有RTLinux、 RTAI等。此方法的不足是RTLinux現(xiàn)在已經(jīng)停止了更新，目前的開源版本僅支持2.4內核，RTAI的設計原理和RTLinux類似，也是一個實時性應用接口。本文采用APIC時鐘修改的方法對Linux內核進行實時化改造，修改APIC中斷函數(shù)，將APIC中斷和8254中斷排序，使得硬實時中斷的優(yōu)先級大于普通8254中斷。通過多組仿真實驗，驗證了該改造方法是有效的。

1 嵌入式Linux的實時性分析

Linux設計的初衷是系統(tǒng)吞吐量的平衡，其內核試圖通過一種公平分配的策略來實現(xiàn)各進程平均地共享系統(tǒng)資源：

(1)內核的不可搶占性：Linux的內核在單處理器上不可搶占，當一個任務進入內核態(tài)運行時，一個具有更高優(yōu)先級的進程，只有等待處于核心態(tài)的系統(tǒng)調用返回后方能執(zhí)行，這將導致優(yōu)先級逆轉。

(2)進程調度的不可搶占性：Linux作為一個分時系統(tǒng)，采用多級反饋輪轉調度算法，它保證了每一個進程都有一種調度策略，但是都放在同一個隊列中運行，這也是Linux作為實時操作系統(tǒng)的一個弱點。圖1是Linux調度機制框圖。

(3)時鐘中斷的精度不高：Linux 2.4.X內核的時鐘中斷周期為10 ms，時鐘粒度太過于粗糙，不能滿足實時性要求。

(4)Linux的虛擬存儲管理：Linux采用段和頁機制的虛擬存儲管理技術，進程在硬盤和內存間的換入換出必然帶來額外的開銷，造成很大的延遲。

由此可見，要將Linux應用于嵌入式系統(tǒng)，必須對其進行實時化改造，以適應嵌入式領域要求。

2 基于時鐘修改的內核改造方案

在單CPU系統(tǒng)中，與時間有關的活動都是由8254時鐘芯片來驅動的，8254產生0號中斷。直接修改內核定時參數(shù)HZ的初值就可構造細粒度定時器。這種方式實現(xiàn)起來很簡單，但是由此帶來頻繁的定時中斷使得系統(tǒng)的開銷很大，當然隨著硬件速度的提高，這種開銷會逐步降低。

簡單地修改赫茲參數(shù)HZ進行實時化的方法顯然并不可取。Linux 2.6內核的時鐘粒度是1 ms，但仍然與嵌入式領域的實時化要求差距較遠，因此需要更高精度的時鐘。目前常見的修改時鐘系統(tǒng)達到實時化的方法都是從軟件層面著手，這方面己獲得較大進展，但是從時鐘系統(tǒng)的硬件結構分析并開展實時化工作也是一個值得注意的方向。本文利用先進的APIC時鐘實現(xiàn)一個高精度時鐘系統(tǒng)，提供了高精度的中斷響應，從而以較少的改動獲得較高的實時性。

APIC以總線頻率工作，可立即執(zhí)行所有的定時器操作，目前x86都有片內APIC，用戶可在單CPU內使用APIC。APIC除了能提供高精度的時鐘外還具有一個重要的優(yōu)點，是由于它位于片內，對其編程只需幾個CPU指令周期，而對IntelX86的8254存取需要若干慢速的ISA總線指令。

在100MHz的CPU系統(tǒng)中，處理一個中斷的時間不到10μs，因此高速CPU完全可在更短的時間內處理更多的APIC中斷。理論上APIC可實現(xiàn)10 ns左右的系統(tǒng)時鐘，但實際上在處理中斷時要耗費一些時間，因此中斷的響應時間要大于10 ns。

APIC本身提供了中斷處理函數(shù)apic_timer_interrupt，該函數(shù)包括 Irq_enter()，Run_realtimer_queue()和irq_exit()，其中函數(shù)irq_ exit通常負責判斷當前是否有8254產生的軟中斷存在，如果存在，就會觸發(fā)8254軟中斷，這樣會造成APIC硬中斷處理延遲。本文的思路就是修改 irq_exit，在其中將各軟中斷線程和硬中斷線程進行排序，使APIC硬中斷的優(yōu)先級高于軟中斷，此時硬中斷線程得到優(yōu)先處理，從而提高內核的實時性能。Irp_exit函數(shù)的核心代碼如下：

上面調用invoke_softirq()函數(shù)執(zhí)行軟中斷使本文修改的重點，修改中斷向量表，對向量表中所有軟中斷和實時中斷進行排序，提前硬中斷的時間片，這樣使當前處于pending狀態(tài)的軟中斷被屏蔽和懸掛，直到硬中斷處理完成為止。將invoke_softirq()函數(shù)修改為：

每個處理器時間片上能夠處理的中斷只有一個，通過更新當前任務時間片，使硬中斷在第一時間獲得CPU的響應，此時軟中斷將被屏蔽，這就保證了硬中斷能夠得到實時的響應。

由于Linux采用8254完成時序分配，8254需要保留以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這樣的話，8254定時器和APIC必須共存，對于硬實時應用，可采用 APIC時鐘進行計時。在8254中斷過程中，如果產生APIC中斷，采用通過本文的方琺必須對優(yōu)先對APIC時鐘進行響應，會出現(xiàn)8254中斷被搶占，此時上下文切換等操作可能導致不可預料的錯誤。解決問題的方法可采取在APIC相應中斷期間，關閉軟中斷，只有當APIC中斷執(zhí)行完畢后，8254軟中斷才能夠被響應。

3 實時性能測試與分析

實驗條件1：CPU：PⅢ300 MHz，內存為128 MB，硬盤為5 400轉的15 GB臺式機硬盤，操作系統(tǒng)為Fedora2.6.18內核。環(huán)境一(vd-d1)采用原版內核，環(huán)境二(vd-d2)采用改進型內核。測試方法為通過測試內核的上、下文切換、內存延遲及模擬外部中斷來評價改造前后的性能。統(tǒng)計測試結果。

從實驗結果可知，在上、下文切換中I/0讀/寫和文件打開和關閉，改進型內核的實時性能都有明顯提高，模擬TCP通道子項，改進型內核性能提高了約6倍，但在對中斷響應要求不是很高的null call測試中，中斷響應時間幾乎相同。改進型內核中斷響應速度始終穩(wěn)定在微妙級。在處理器負荷較輕時原始內核有著良好的內存延遲，隨著處理器負荷的進一步加重，原始內核的內存延遲急劇增加。在最差情況下，系統(tǒng)響應速度較慢，延遲時間達到5μs。而改進型內核在處理器負荷變化時，系統(tǒng)的響應速度變化不明顯，而且中斷響應速度始終穩(wěn)定在2μs以下，性能穩(wěn)定。[!--empirenews.page--]

實驗條件2：采用改進型內核，環(huán)境一(vd-d2)CPU：PIII 300 MHz，環(huán)境二(vd-d3)CPU降頻為200 MHz(接近ARM9)。統(tǒng)計測試結果，獲得它們的文件系統(tǒng)延遲結果見圖4。圖4反映了同樣采用改進型內核，將CPU降頻前后，測試結果差距在10μs以內，可看出在文件系統(tǒng)延遲中，處理器頻率的較小差距對內核的影響不大。如采用高主頻的處理器，實驗結果差距較大。

4 結語

本文通過修改APIC時鐘，可顯著地改進嵌入式系統(tǒng)的實時性能，通過對比試驗可看出改進型內核具有良好的實時性能，滿足了系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性要求。本文方法使得嵌入式Linux系統(tǒng)在高實時性領域中得到實際的應用。