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　　1 引言

　　分析了Linux的實時性，針對其在實時應(yīng)用中的技術(shù)障礙，在參考了與此相關(guān)研究基礎(chǔ)上，從三方面提出了改善Linux實時性能的改進(jìn)措施。為提高嵌入式應(yīng)用響應(yīng)時間精度,提出兩種細(xì)化Linux時鐘粒度方法;為增強系統(tǒng)內(nèi)核對實時任務(wù)的響應(yīng)能力,采用插入搶占點和修改內(nèi)核法增強Linux內(nèi)核的可搶占性;為保證硬實時任務(wù)的時限要求，把原Linux的單運行隊列改為雙運行隊列,硬實時任務(wù)單獨被放在一個隊列中,并采用MLF調(diào)度算法代替原內(nèi)核的FIFO調(diào)度算法。本文分析了標(biāo)準(zhǔn)Linux在實時應(yīng)用中的技術(shù)障礙，參考了修改核方法的思想，從內(nèi)核時鐘管理、內(nèi)核的搶占性、內(nèi)核調(diào)度算法三方面論述了改善標(biāo)準(zhǔn)Linux實時性能的方法。

　　2 Linux 在實時應(yīng)用中的技術(shù)障礙

　　2.1 Linux的實時性分析

　　Linux作為一個通用操作系統(tǒng)，主要考慮的是調(diào)度的公平性和吞吐量等指標(biāo)。然而，在實時方面它還不能很好地滿足實時系統(tǒng)方面的需要，其本身僅僅提供了一些實時處理的支持，這包括支持大部分POSIX標(biāo)準(zhǔn)中的實時功能，支持多任務(wù)、多線程，具有豐富的通信機制等;同時也提供了符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度策略，包括FIFO調(diào)度策略、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略和靜態(tài)優(yōu)先級搶占式調(diào)度策略。Linux區(qū)分實時進(jìn)程和普通進(jìn)程，并采用不同的調(diào)度策略。

　　為了同時支持實時和非實時兩種進(jìn)程，Linux的調(diào)度策略簡單講就是優(yōu)先級加上時間片。當(dāng)系統(tǒng)中有實時進(jìn)程到來時，系統(tǒng)賦予它最高的優(yōu)先級。體現(xiàn)在實時性上，Linux采用了兩種簡單的調(diào)度策略，即先來先服務(wù)調(diào)度(SCHED-FIFO)和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度(SCHED-RR)。具體是將所有處于運行狀態(tài)的任務(wù)掛接在一個run-queue 隊列中,并將任務(wù)分成實時和非實時任務(wù)，對不同的任務(wù)，在其任務(wù)控制塊task-struct中用一個policy屬性來確定其調(diào)度策略。對實時性要求較嚴(yán)的硬實時任務(wù)采用SCHED-FIFO調(diào)度，使之在一次調(diào)度后運行完畢。對普通非實時進(jìn)程，Linux采用基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)策略。

　　2.2 Linux在實時應(yīng)用中的技術(shù)障礙

　　盡管Linux本身提供了一些支持實時性的機制，然而，由于Linux系統(tǒng)是以高的吞吐量和公平性為追求目標(biāo)，基本上沒有考慮實時應(yīng)用所要滿足的時間約束，它只是提供了一些相對簡單的任務(wù)調(diào)度策略。因此，實時性問題是將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一大障礙,無法在硬實時系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 Linux在實時應(yīng)用中的技術(shù)障礙具體表現(xiàn)在:

　　(1)Linux系統(tǒng)時鐘精度太過粗糙，時鐘中斷周期為10ms，使得其時間粒度過大，加大了任務(wù)響應(yīng)延遲。

　　(2) Linux的內(nèi)核是不可搶占的, 當(dāng)一個任務(wù)通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運行時,一個具有更高優(yōu)先級的進(jìn)程，只有等待處于核心態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用返回后方能執(zhí)行，這將導(dǎo)致優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。實時任務(wù)執(zhí)行時間的不確定性，顯然不能滿足硬實時應(yīng)用的要求。

　　(3) Linux采用對臨界區(qū)操作時屏蔽中斷的方式，在中斷處理中是不允許進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的，從而抑制了系統(tǒng)及時響應(yīng)外部操作的能力。

　　(4) 缺乏有效的實時任務(wù)調(diào)度機制和調(diào)度算法。

　　針對這些問題，利用Linux作為底層操作系統(tǒng)，必須增強其內(nèi)核的實時性能，從而構(gòu)建出一個具有實時處理能力的嵌入式系統(tǒng)，適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用的需要。