如何選擇一個合適的嵌入式操作系統(tǒng)？Linux操作系統(tǒng)實時性分析

選擇一個合適的嵌入式操作系統(tǒng)，可以考慮以下幾個因素：

第一是應(yīng)用。如果你想開發(fā)的嵌入式設(shè)備是一個和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用密切相關(guān)或者就是一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，那么你應(yīng)該選擇用嵌入式Linux或者uCLinux，而不是uC/OS-II。

第二是實時性。沒有一個絕對的數(shù)字可以告訴你什么是硬實時，什么是軟實時，他們之間的界限也是十分模糊的，這與你選擇什么樣的CPU，它的主頻、內(nèi)存等參數(shù)有一定關(guān)系。如果你使用加入實時補丁等技術(shù)的嵌入式Linux，如Monta Vista Linux(2.4.17版本)，最壞的情況只有436微秒，而99.9%的情況是195微秒以內(nèi)?？紤]到最新的Linux在實時性方面的改進，它可以適合于90~95%的各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。當然，你如果希望更快的實時響應(yīng)，如高速A/D轉(zhuǎn)換需要幾個微秒以內(nèi)的中斷延時，可能采用uC/OS-II是合適的。當然，采用像Vxworks這樣傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)也可以滿足這樣的強實時性要求。

為什么選擇Linux操作系統(tǒng)

Linux系統(tǒng)作為一個GPOS(通用操作系統(tǒng))發(fā)展至今已經(jīng)非常成熟可靠了，并且由于遵循GPL協(xié)議，開放所有系統(tǒng)源代碼，非常易于裁剪。更重要的是，與其他開源的GPOS或RTOS相比，Linux系統(tǒng)支持多種處理器、開發(fā)板，提供多種軟件開發(fā)工具，同時Linux系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)和圖形界面的支持非常出色。顯然，選擇Linux操作系統(tǒng)在產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本控制方面都有巨大優(yōu)勢。

憑借經(jīng)濟和技術(shù)方面的諸多優(yōu)勢，Linux正被越來越多的嵌入式設(shè)備所使用。Linux在嵌入式系統(tǒng)市場的占用率越來越高，以下是大部分產(chǎn)品選擇Linux系統(tǒng)的原因：

Linux支持的硬件設(shè)備種類繁多。

Linux支持非常多的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

Linux的擴展性很好，從小型的消費電子產(chǎn)品到大型、笨重的電信級交換機和路由器都可以采用Linux。

和傳統(tǒng)的專有嵌入式操作系統(tǒng)不同，部署Linux不需要繳納專利費。

Linux吸引了為數(shù)眾多的活躍的開發(fā)者，能很快支持新的硬件架構(gòu)、平臺和設(shè)備。

越來越多的硬件和軟件廠商，包括幾乎所有的頂級芯片制造商和獨立軟件開發(fā)商，現(xiàn)在都支持Linux。

什么是實時?

實時系統(tǒng)的典型定義如下：“所謂實時系統(tǒng)，就是系統(tǒng)中計算結(jié)果的正確性不僅取決于計算邏輯的正確性，還取決于產(chǎn)生結(jié)果的時間。如果完成時間不符合要求，則可以說系統(tǒng)發(fā)生了問題。”也就是說，不管實時應(yīng)用程序進行的是何種任務(wù)，它不僅需要正確進行該任務(wù)而且還必須及時完成它。

人們很容易對實時產(chǎn)生誤解，認為實時即速度足夠快，實際上，實時并不意味著速度快。實時的關(guān)鍵在于保證完成時間，而不在于原始速度，因為速度性能與硬件相關(guān)，可以通過搭建快速硬件平臺(處理器、存儲器子系統(tǒng)等)來獲得所需的性能。而實時的行為是一個軟件問題，其目標是讓關(guān)鍵的操作能夠在所保證的時間之內(nèi)完成。

實時進程不會影響自己在執(zhí)行環(huán)境中的調(diào)度，反而是環(huán)境影響實時應(yīng)用程序的調(diào)度。也就是說，實時進程通常和某個物理事件相關(guān)聯(lián)，比如外圍設(shè)備的中斷。那么顯然，影響實時的原因在于中斷響應(yīng)延時，在Linux系統(tǒng)中可細分為中斷延時、中斷處理、調(diào)度延時。一般來說，針對用戶對超出時間限制所造成的影響的可接受程度，實時又可分為軟實時和硬實時。

軟實時

大多數(shù)人都同意軟實時意味著操作有時間限制。如果超過了時間限制后操作還沒有完成的話，體驗的質(zhì)量就會下降，但不會帶來致命后果。桌面工作站就是一個需要軟實時功能的絕好例子。編輯文檔時，你期望在按鍵之后立刻在屏幕上看到結(jié)果。在播放MP3文件時，你期望聽到?jīng)]有任何雜音、爆音或中斷的高品質(zhì)音樂。如果這些所謂的軟實時事件錯過了時限，結(jié)果可能不盡如人意，并導(dǎo)致體驗的質(zhì)量有所下降，但這并不是災(zāi)難性的。

硬實時

硬實時的特點是錯過時限會造成嚴重結(jié)果。在一個硬實時系統(tǒng)中，如果錯過了時限，后果往往是災(zāi)難性的。當然，“災(zāi)難”是相對而言的。但如果你的嵌入式設(shè)備正在控制噴氣式飛機引擎的燃料流，而它沒有能夠及時響應(yīng)飛行員輸入的命令或操作特性的變化，致命后果就不可避免了。

這里，我們總結(jié)一下軟實時和硬實時的定義。對于軟實時系統(tǒng)，如果錯過了時限，系統(tǒng)的計算值或結(jié)果會不太理想。然而，對于硬實時系統(tǒng)，如果錯過了某個時限，系統(tǒng)就是失敗的，而且可能會造成災(zāi)難性的后果。

制約標準Linux操作系統(tǒng)實時性的因素

雖然Linux系統(tǒng)功能強大、實用性強、易于軟件的二次開發(fā)，并且提供編程人員熟悉的標準API。但是由于Linux系統(tǒng)一開始就被設(shè)計成GPOS(通用操作系統(tǒng))，它的目的是構(gòu)建一個完整、穩(wěn)定的開源操作系統(tǒng)，盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間，提高吞吐量，注重操作系統(tǒng)的整體功能需求，達到更好地平均性能。(在操作系統(tǒng)中，我們可以把吞吐量簡單的理解為在單位時間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的事件總數(shù)。)

因此在設(shè)計Linux的進程調(diào)度算法時主要考慮的是公平性，也就是說，調(diào)度器盡可能將可用的資源平均分配給所有需要處理器的進程，并保證每個進程都得以運行。但這個設(shè)計目標是和實時進程的需求背道而馳的，所以標準Linux并不提供強實時性。

Linux系統(tǒng)實時性不強使其在嵌入式應(yīng)用中有一定的局限性，主要是受內(nèi)核可搶占性、進程調(diào)度方式、中斷處理機制、時鐘粒度等幾個方面的制約，具體如下：

(1) 進程調(diào)度

Linux系統(tǒng)提供符合POSIX標準的調(diào)度策略，包括FIFO調(diào)度策略(SCHED_FIFO)、帶時間片輪轉(zhuǎn)的實時調(diào)度策略(SCHED_RR)和靜態(tài)優(yōu)先級搶占式調(diào)度策略(SCHED_OTHER)。Linux進程默認的調(diào)度策略為SCHED_OTHER，這種調(diào)度方式雖然可以讓進程公平地使用CPU和其它資源，但是并不能保證對時間要求嚴格或者高優(yōu)先級的進程將先于低優(yōu)先級的執(zhí)行，這將嚴重影響系統(tǒng)實時性。那么，將實時進程的調(diào)度策略設(shè)置為SCHED_FIFO 或SCHED_RR ，似乎使得Linux系統(tǒng)具備根據(jù)進程優(yōu)先級進行實時調(diào)度的能力，但問題在于，Linux系統(tǒng)在用戶態(tài)支持可搶占調(diào)度策略，而在內(nèi)核態(tài)卻不完全支持搶占式調(diào)度策略。這樣運行在Linux內(nèi)核態(tài)的任務(wù)(包括系統(tǒng)調(diào)用和中斷處理)是不能被其它優(yōu)先級更高的任務(wù)所搶占的，由此引起優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)問題。

(2) 內(nèi)核搶占機制

Linux的系統(tǒng)進程運行分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)兩種模式。當進程運行在用戶態(tài)時，具有高的優(yōu)先級的進程可以搶占進程，可以較好地完成任務(wù);但是當進程運行在內(nèi)核態(tài)時，即使其他高優(yōu)先級進程也不能搶占該進程。當進程通過系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核態(tài)運行時，實時任務(wù)必須等待系統(tǒng)調(diào)用返回后才能獲得系統(tǒng)資源。這和實時系統(tǒng)所要求的高優(yōu)先級任務(wù)運行是相互矛盾的。

當然，這種情況在Linux2.6版本的內(nèi)核發(fā)布以來有了顯著改進，Linux2.6版本后的內(nèi)核是搶占式的，這意味著進程無論在處于內(nèi)核態(tài)還是用戶態(tài)，都可能被搶占。Linux2.6以后的內(nèi)核提供以下3種搶占模式供用戶選擇。

PREEMPT_NONE——沒有強制性的搶占。整體的平均延時較低，但偶爾也會出現(xiàn)一些較長的延時。它最適合那些以整體吞吐率為首要設(shè)計準則的應(yīng)用。

PREEMPT_VOLUNTARY——降低延時的第一階段。它會在內(nèi)核代碼的一些關(guān)鍵位置上放置額外的顯示搶占點，以降低延時。但這是以犧牲整體吞吐率為代價的。

PREEMPT/PREEMPT_DESKTOP——這種模式使內(nèi)核在任何地方都是可搶占的，臨界區(qū)除外。這種模式適用于那些需要軟實時性能的應(yīng)用程序，比如音頻和多媒體。這也是以犧牲整體吞吐率為代價的。

(3) 中斷屏蔽

Linux在進行中斷處理時都會關(guān)閉中斷，這樣可以更快、更安全地完成自己的任務(wù)，但是在此期間，即使有更高優(yōu)先級的實時進程發(fā)生中斷，系統(tǒng)也無法響應(yīng)，必須等到當前中斷任務(wù)處理完畢。這種狀況下會導(dǎo)致中斷延時和調(diào)度延時增大，降低Linux系統(tǒng)的實時性。

(4) 時鐘粒度粗糙

時鐘系統(tǒng)是計算機的重要組成部分，相當于整個操作系統(tǒng)的脈搏。系統(tǒng)所能提供的最小時間間隔稱為時鐘粒度，時鐘粒度與進程響應(yīng)的延遲性是正比關(guān)系，即粒度越粗糙，延遲性越長。但時鐘粒度并不是越小越好，就同等硬件環(huán)境而言，較小的時間粒度會導(dǎo)致系統(tǒng)開銷增大，降低整體吞吐率。在Linux2.6內(nèi)核中，時鐘中斷發(fā)生頻率范圍是50~1200Hz，周期不小于0.8ms，對于需要幾十微秒的響應(yīng)精度的應(yīng)用來說顯然不滿足要求。而在嵌入式Linux系統(tǒng)中，為了提高整體吞吐率，時鐘頻率一般設(shè)置為100HZ或250HZ。

另外，系統(tǒng)時鐘負責(zé)軟定時，當軟定時器逐漸增多時會引起定時器沖突，增加系統(tǒng)負荷。

(5) 虛擬內(nèi)存管理

Linux采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，進程可以運行在比實際空間大得多的虛擬空間中。在分時系統(tǒng)中，虛擬內(nèi)存機制非常適用，然而對于實時系統(tǒng)這是難以忍受的，頻繁的頁面換進換出會使得系統(tǒng)進程運行無法在規(guī)定時間內(nèi)完成。

對于此問題，Linux系統(tǒng)提供內(nèi)存鎖定功能，以避免在實時處理中存儲頁被換出。

(6) 共享資源的互斥訪問差異

多個任務(wù)互斥地訪問同一共享資源時，需要防止數(shù)據(jù)遭到破壞，系統(tǒng)通常采用信號量機制解決互斥問題。然而，在采取基于優(yōu)先級調(diào)度的實時系統(tǒng)中，信號量機制容易造成優(yōu)先級倒置，即低優(yōu)先級任務(wù)占用高優(yōu)先級任務(wù)資源，導(dǎo)致高優(yōu)先級任務(wù)無法運行。

雖然從2.6.12版本之后，Linux內(nèi)核已經(jīng)可以在較快的x86處理器上實現(xiàn)10毫秒以內(nèi)的軟實時性能。但如果想實現(xiàn)可預(yù)測、可重復(fù)的微秒級的延時，使Linux系統(tǒng)更好地應(yīng)用于嵌入式實時環(huán)境，則需要在保證Linux系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上對其進行改造。下一節(jié)將介紹通過實時補丁來提高Linux實時性的方法。

常用的實時Linux改造方案

根據(jù)實時性系統(tǒng)要求以及Linux的特點和性能分析，對標準Linux實時性的改造存在多種方法，較為合理的兩大類方法為：

直接修改Linux內(nèi)核源代碼。

雙內(nèi)核法。

1 直接修改Linux內(nèi)核源代碼

對Linux內(nèi)核代碼進行細微修改并不對內(nèi)核作大規(guī)模的變動，在遵循GPL協(xié)議的情況下，直接修改內(nèi)核源代碼將Linux改造成一個完全可搶占的實時系統(tǒng)。核心修改面向局部，不會從根本上改變Linux內(nèi)核，并且一些改動還可以通過Linux的模塊加載來完成，即系統(tǒng)需要處理實時任務(wù)時加載該功能模塊，不需要時動態(tài)卸載該模塊。

目前kernel.org發(fā)布的主線內(nèi)核版本還不支持硬實時。為了開啟硬實時的功能，必須對代碼打補丁。實時內(nèi)核補丁是多方努力的共同成果，目的是為了降低Linux內(nèi)核的延時。這個補丁有多位代碼貢獻者，目前由Ingo Molnar維護，補丁網(wǎng)址如下：

www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/。

在配置已經(jīng)打過實時補丁的內(nèi)核代碼時，我們發(fā)現(xiàn)實時補丁添加了第4種搶占模式，稱為PREEMPT_RT(實時搶占)。實時補丁在Linux內(nèi)核中添加了幾個重要特性，包括使用可搶占的互斥量來替代自旋鎖;除了使用preempt_disable()保護的區(qū)域以外，內(nèi)核中的所有地方都開啟了非自愿式搶占(involuntary preemption)功能。這種模式能夠顯著降低抖動(延時的變化)，并且使那些對延時要求很高的實時應(yīng)用具有可預(yù)測的較低延時。

這種方法存在的問題是：很難百分之百保證，在任何情況下，GPOS程序代碼絕不會阻礙RTOS的實時行為。也就是說，通過修改Linux內(nèi)核，難以保證實時進程的執(zhí)行不會遭到非實時進程所進行的不可預(yù)測活動的干擾。

2 雙內(nèi)核法

實際上，雙內(nèi)核的設(shè)計緣由在于，人們不相信標準Linux內(nèi)核可以在任何情況下兌現(xiàn)它的實時承諾，因為GPOS內(nèi)核本身就很復(fù)雜，更多的程序代碼通常會導(dǎo)致更多的不確定性，這樣將無法符合可預(yù)測性的要求。更何況Linux內(nèi)核極快的發(fā)展速度，使其會在很短的時間內(nèi)帶來很大的變化，直接修改Linux內(nèi)核源代碼的方法將難以保持同步。

雙內(nèi)核法是在同一硬件平臺上采用兩個相互配合，共同工作的系統(tǒng)核心，通過在Linux系統(tǒng)的最底層增加一層實時核心來實現(xiàn)。其中的一個核心提供精確的實時多任務(wù)處理，另一個核心提供復(fù)雜的非實時通用功能。

雙內(nèi)核方法的實質(zhì)是把標準的Linux內(nèi)核作為一個普通進程在另一個內(nèi)核上運行。關(guān)鍵的改造部分是在Linux和中斷控制器之間加一個中斷控制的仿真層，成為其實時內(nèi)核的一部分。該中斷仿真機制提供了一個標志用來記錄Linux的關(guān)開中斷情況。一般只在修改核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵代碼時才關(guān)中斷，所以其中斷響應(yīng)很小。其優(yōu)點是可以做到硬實時，并且能很方便地實現(xiàn)一種新的調(diào)度策略。

為方便使用，實時內(nèi)核通常由一套可動態(tài)載入的模塊提供，也可以像編譯任何一般的子系統(tǒng)那樣在Linux源碼樹中直接編譯。常用的雙內(nèi)核法實時補丁有RTLinux/GPL、RTAI 和 Xenomai，其中RTLinux/GPL只允許以內(nèi)核模塊的形式提供實時應(yīng)用;而RTAI和Xenomai支持在具有MMU保護的用戶空間中執(zhí)行實時程序。下面，我們將對RTAI與Xenomai進行分析。

圖1. RTAI(左)和Xenomai(右)實時內(nèi)核在Linux中的分層結(jié)構(gòu)

圖1所示為RTAI和Xenomai兩個實時內(nèi)核分別與標準Linux內(nèi)核組成雙內(nèi)核系統(tǒng)是的分層結(jié)構(gòu)?？梢钥吹絻烧哂猩晕⒉煌慕M織形式，與Xenomai讓ADEOS掌控所有的中斷源不同的是，RTAI攔截它們，使用ADEOS將那些RTAI不感興趣的中斷通知送給Linux(也就是，中斷不影響實時時序)。這樣混合過程的目的是提高性能，因為在這種情況下，如果中斷是要喚醒一個實時任務(wù)，就避免了由ADEOS管理中斷的開銷。從這里可以看出，RTAI的實時性能應(yīng)該是比Xenomai要好的。

RTAI(Real-Time Linux Application interface)雖然實時性能較好，但對ARM支持不夠，更新速度極慢，造成項目開發(fā)周期長，研發(fā)成本高。

與RTAI相比，Xenomai更加專注于用戶態(tài)下的實時性、提供多套與主流商業(yè)RTOS兼容的API以及對硬件的廣泛支持，在其之上構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)能保持較高實時性，而且穩(wěn)定性和兼容性更好;此外，Xenomai社區(qū)活躍，緊跟主流內(nèi)核更新，支持多種架構(gòu)，對ARM的支持很好。

Xenomai是Linux內(nèi)核的一個實時開發(fā)框架。它希望無縫地集成到Linux環(huán)境中來給用戶空間應(yīng)用程序提供全面的、與接口無關(guān)的硬實時性能。Xenomai是基于一個抽象實時操作系統(tǒng)核心的，可以被用來在一個通用實時操作系統(tǒng)調(diào)用的核心上，構(gòu)建任意多個不同的實時接口。Xenomai項目始于2001年8月。2003年它和RTAI項目合并推出了RTAI/fusion。2005年，因為開發(fā)理念不同，RTAI/fusion項目又從RTAI中獨立出來作為Xenomai項目。相比之下，RTAI項目致力于技術(shù)上可行的最低延遲;Xenomai除此之外還很著重擴展性、可移植性以及可維護性。Xenomai項目將對Ingo Molnar的PREEMPT_PT實時搶占補丁提供支持，這又是與RTAI項目的一個顯著的不同。RTAI和Xenomai都有開發(fā)者社區(qū)支持，都可以作為一個VxWorks的開源替代。

Xenomai是基于Adeos(Adaptive Domain Environment for Operating System)實現(xiàn)的，Adeos的目標是為操作系統(tǒng)提供了一個靈活的、可擴展的自適應(yīng)環(huán)境;在這個環(huán)境下，多個相同或不同的操作系統(tǒng)可以共存，共享硬件資源?；贏deos的系統(tǒng)中，每個操作系統(tǒng)都在獨立的域內(nèi)運行，每個域可以有獨立的地址空間和類似于進程、虛擬內(nèi)存等的軟件抽象層，而且這些資源也可以由不同的域共享。與以往傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)共存方法不同，Adeos是在已有的操作系統(tǒng)下插入一個軟件層，通過向上層多個操作系統(tǒng)提供某些原語和機制實現(xiàn)硬件共享。應(yīng)用上主要是提供了一個用于“硬件-內(nèi)核”接口的納內(nèi)核(超微內(nèi)核)，使基于Linux環(huán)境的系統(tǒng)能滿足硬實時的要求。

Xenomai正是充分利用了Adeos技術(shù)，它的首要目標是幫助人們盡量平緩地移植那些依賴傳統(tǒng)RTOS的應(yīng)用程序到GNU/Linux環(huán)境，避免全部重寫應(yīng)用程序。它提供一個模擬器模擬傳統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的API，這樣就很容易移植應(yīng)用程序到GNU/Linux環(huán)境中，同時又能保持很好的實時性。Xenomai的核心技術(shù)就是使用一個實時微內(nèi)核來構(gòu)建這些實時API，也稱作“Skin”。Xenomai通過這種接口變種技術(shù)實現(xiàn)了針對多種傳統(tǒng)RTOS的應(yīng)用編程接口，方便傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用程序向GNU/Linux的移植。圖2描述了Xenomai的這種帶Skin的分層架構(gòu)。

圖2. 帶Skin接口的Xenomai分層結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，Xenomai系統(tǒng)包含多個抽象層：Adeos納內(nèi)核直接工作在硬件之上;位于Adeos之上的是與處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer, HAL);系統(tǒng)的中心部分是運行在硬件抽象層之上的抽象的實時內(nèi)核，實時內(nèi)核實現(xiàn)了一系列通用RTOS的基本服務(wù)。這些基本服務(wù)可以由Xenomai的本地API(Native)或由建立在實時內(nèi)核上的針對其他傳統(tǒng)RTOS的客戶API提供，如RTAI、POSIX、VxWorks、uITRON、pSOS+等?？蛻鬉PI旨在兼容其所支持的傳統(tǒng)RTOS的應(yīng)用程序在Xenomai上的移植，使應(yīng)用程序在向Xenomai/Linux體系移植的過程中不需要完全重新改寫，此特性保證了Xenomai系統(tǒng)的穩(wěn)健性。Xenomai/Linux系統(tǒng)為用戶程序提供了用戶空間和內(nèi)核空間兩種模式，前者通過系統(tǒng)調(diào)用接口實現(xiàn)，后者通過實時內(nèi)核實現(xiàn)。用戶空間的執(zhí)行模式保證了系統(tǒng)的可靠性和良好的軟實時性，內(nèi)核空間程序則能提供優(yōu)秀的硬實時性。