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如何对嵌入式Linux系统的实时性能进行改进和完善?

2019年11月04日 文章来源:网络整理 热度:98℃ 作者:刘英

随着微处理器技术的发展,嵌入式系统已经成为计算机应用领域的一个重要的组成部分。Linux虽然为分时操作系统,但由于其功能强大、源代码开放以及可移植性强等优势,已成为日益流行的嵌入式实时操作系统的解决方案,然而,在实时方面它还不能很好地满足实时系统方面的需要,其本身仅仅提供了一些实时处理的支持。为使Linux满足实时应用的要求,常用的方法是通过对Linux的内核进行裁减和修改,使其能够满足实时性的要求。目前,我们根据实际需要对于Linux采用以下方法进行改进。

2、实现低延迟

使用两种方法来实现低延迟:一种就是锁分解,即把大循环中保持的锁分解为每一轮循环中都获得锁和释放锁,典型的代码结构示例如下:

如何对嵌入式Linux系统的实时性能进行改进和完善?

另一种是增加抢占点,即自愿被抢占。增加抢占点之后:

如何对嵌入式Linux系统的实时性能进行改进和完善?

语句cond_resched()将判断是否有进程需要抢占当前进程,如果是将立即发生调度,这就是增加的抢占点,它支持四种抢占模式:

(1).No Forced Preemption (Server),这种模式等同于没有使能抢占选项的标准内核,主要适用于科学计算等服务器环境。

(2).Voluntary Kernel PreempTIon (Desktop),这种模式使能了自愿抢占,但仍然失效抢占内核选项,它通过增加抢占点缩减了抢占延迟,因此适用于一些需要较好的响应性的环境,如桌面环境,当然这种好的响应性是以牺牲一些吞吐率为代价的。

(3).PreempTIble Kernel (Low-Latency Desktop),这种模式既包含了自愿抢占,又使能了可抢占内核选项,因此有很好的响应延迟,实际上在一定程度上已经达到了软实时性。它主要适用于桌面和一些嵌入式系统,但是吞吐率比模式2更低。

(4).Complete PreempTIon (Real-TIme),这种模式使能了所有实时功能,因此完全能够满足软实时需求,它适用于延迟要求为100微秒或稍低的实时系统。

实现实时是以牺牲系统的吞吐率为代价的,因此实时性越好,系统吞吐率就越低。

3、中断线程化

中断线程化是实现Linux实时性的一个重要步骤,在Linux标准内核中,中断是最高优先级的执行单元,不管内核当时处理什么,只要有中断事件,系统将立即响应该事件并执行相应的中断处理代码,除非当时中断关闭。因此,如果系统有严重的网络或I/O负载,中断将非常频繁,后发生的实时任务将很难有机会运行,也就是说,毫无实时性可言。中断线程化之后,中断将作为内核线程运行而且赋予不同的实时优先级,实时任务可以有比中断线程更高的优先级,这样,实时任务就可以作为最高优先级的执行单元来运行,即使在严重负载下仍有实时性保证。

中断线程化的另一个重要原因是spinlock被mutex取代。中断处理代码中大量地使用了spinlock,当spinlock被mutex取代之后,中断处理代码就有可能因为得不到锁而需要被挂到等待队列上,但是只有可调度的进程才可以这么做,如果中断处理代码仍然使用原来的spinlock,则spinlock取代mutex的努力将大打折扣,因此为了满足这一要求,中断必须被线程化,包括IRQ和softirq。

中断线程化的实现方法是:对于IRQ,在内核初始化阶段init(该函数在内核源码树的文件init/main.c中定义)调用init_hardirqs(该函数在内核源码树的文件kernel/irq/manage.c中定义)来为每一个IRQ创建一个内核线程,IRQ号为0的中断赋予实时优先级49,IRQ号为1的赋予实时优先级48,依次类推直到25,因此任何IRQ线程的最低实时优先级为25。原来的do_IRQ被分解成两部分,架构相关的放在类似于arch/*/kernel/irq.c的文件中,名称仍然为do_IRQ,而架构独立的部分被放在IRQ子系统的位置kernel/irq/handle.c中,名称为_do_IRQ。当发生中断时,CPU将执行do_IRQ来处理相应的中断,do_IRQ将做了必要的架构相关的处理后调用_do_IRQ。函数_do_IRQ将判断该中断是否已经被线程化(如果中断描述符的状态字段不包含SA_NODELAY标志说明中断被线程化了),如果是将唤醒相应的处理线程,否则将直接调用handle_IRQ_event(在IRQ子系统位置的kernel/irq/handle.c文件中)来处理。对于已经线程化的情况,中断处理线程被唤醒并开始运行后,将调用do_hardirq(在源码树的IRQ子系统位置的文件kernel/irq/manage.c中定义)来处理相应的中断,该函数将判断是否有中断需要被处理(中断描述符的状态标志IRQ_INPROGRESS),如果有就调用handle_IRQ_event来处理。handle_IRQ_event将直接调用相应的中断处理句柄来完成中断处理。

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