雖然Linux系統功能強大、實用性強、易于軟件的二次開發，并且提供編程人員熟悉的標準API。但是由于Linux系統一開始就被設計成GPOS（通用操作系統），它的目的是構建一個完整、穩定的開源操作系統，盡量縮短系統的平均響應時間，提高吞吐量，注重操作系統的整體功能需求，達到更好地平均性能。（在操作系統中，我們可以把吞吐量簡單的理解為在單位時間內系統能夠處理的事件總數。）嵌入式定制

因此在設計Linux的進程調度算法時主要考慮的是公平性，也就是說，調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系統實時性不強使其在嵌入式應用中有一定的局限性，主要是受內核可搶占性、進程調度方式、中斷處理機制、時鐘粒度等幾個方面的制約，具體如下：

（1） 進程調度

Linux系統提供符合POSIX標準的調度策略，包括FIFO調度策略（SCHED_FIFO）、帶時間片輪轉的實時調度策略（SCHED_RR）和靜態優先級搶占式調度策略（SCHED_OTHER）。Linux進程默認的調度策略為SCHED_OTHER，這種調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先級的進程將先于低優先級的執行，這將嚴重影響系統實時性。那么，將實時進程的調度策略設置為SCHED_FIFO 或SCHED_RR ，似乎使得Linux系統具備根據進程優先級進行實時調度的能力，但問題在于，Linux系統在用戶態支持可搶占調度策略，而在內核態卻不完全支持搶占式調度策略。這樣運行在Linux內核態的任務（包括系統調用和中斷處理）是不能被其它優先級更高的任務所搶占的，由此引起優先級逆轉問題。

（2） 內核搶占機制

Linux的系統進程運行分為用戶態和內核態兩種模式。當進程運行在用戶態時，具有高的優先級的進程可以搶占進程，可以較好地完成任務;但是當進程運行在內核態時，即使其他高優先級進程也不能搶占該進程。當進程通過系統調用進入內核態運行時，實時任務必須等待系統調用返回后才能獲得系統資源。這和實時系統所要求的高優先級任務運行是相互矛盾的。

當然，這種情況在Linux2.6版本的內核發布以來有了顯著改進，Linux2.6版本后的內核是搶占式的，這意味著進程無論在處于內核態還是用戶態，都可能被搶占。Linux2.6以后的內核提供以下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，但偶爾也會出現一些較長的延時。它最適合那些以整體吞吐率為首要設計準則的應用。

PREEMPT_VOLUNTARY——降低延時的第一階段。它會在內核代碼的一些關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——這種模式使內核在任何地方都是可搶占的，臨界區除外。這種模式適用于那些需要軟實時性能的應用程序，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閉中斷，這樣可以更快、更安全地完成自己的任務，但是在此期間，即使有更高優先級的實時進程發生中斷，系統也無法響應，必須等到當前中斷任務處理完畢。這種狀況下會導致中斷延時和調度延時增大，降低Linux系統的實時性。

（4） 時鐘粒度粗糙

時鐘系統是計算機的重要組成部分，相當于整個操作系統的脈搏。系統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的延遲性是正比關系，即粒度越粗糙，延遲性越長。但時鐘粒度并不是越小越好，就同等硬件環境而言，較小的時間粒度會導致系統開銷增大，降低整體吞吐率。

在Linux2.6內核中，時鐘中斷發生頻率范圍是50~1200Hz，周期不小于0.8ms，對于需要幾十微秒的響應精度的應用來說顯然不滿足要求。而在嵌入式Linux系統中，為了提高整體吞吐率，時鐘頻率一般設置為100HZ或250HZ。

另外，系統時鐘負責軟定時，當軟定時器逐漸增多時會引起定時器沖突，增加系統負荷。

（5） 虛擬內存管理

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

對于此問題，Linux系統提供內存鎖定功能，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

多個任務互斥地訪問同一共享資源時，需要防止數據遭到破壞，系統通常采用信號量機制解決互斥問題。然而，在采取基于優先級調度的實時系統中，信號量機制容易造成優先級倒置，即低優先級任務占用高優先級任務資源，導致高優先級任務無法運行。

雖然從2.6.12版本之后，Linux內核已經可以在較快的x86處理器上實現10毫秒以內的軟實時性能。但如果想實現可預測、可重復的微秒級的延時，使Linux系統更好地應用于嵌入式實時環境，則需要在保證Linux系統功能的基礎上對其進行改造。

來源：朗銳智科