Linux 即時技術與典型實現分析

本系列文章分兩部分，第 1 部分闡述了即時的概念、衡量即時性的指標，詳細地分析了嵌入式系統對 Linux 即時性的需求以及 Linux 在即時性方面的不足，然後簡單地描述了三個著名的 Linux 即時實現，第 2 部分對一個典型的即時實現（Ingo's RT patch）做了詳盡的分析。

一、即時的概念

所謂即時，就是一個特定任務的執行時間必須是確定的，可預測的，並且在任何情況下都能保證任務的時限（最大執行時間限制）。即時又分軟即時和硬即時，所謂軟即時，就是對任務執行時限的要求不那麼嚴苛，即使在一些情況下不能滿足時限要求，也不會對系統本身產生致命影響，例如，媒體播放系統就是軟即時的，它需要系統能夠在1秒鐘播放24幀，但是即使在一些嚴重負載的情況下不能在1秒鐘內處理24幀，也是可以接受的。所謂硬即時，就是對任務的執行時限的要求非常嚴格，無論在什麼情況下，任務的執行實現必須得到絕對保證，否則將產生災難性後果，例如，飛行器自動駕駛和導航系統就是硬即時的，它必須要求系統能在限定的時限內完成特定的任務，否則將導致重大事故，如碰撞或爆炸等。

二、衡量即時性的指標

那麼，如何判斷一個系統是否是即時的呢？主要有以下兩個指標：

1． 中斷延遲

中斷延遲就是從一個外來事件發生到相應的中斷處理函數的第一條指令開始執行所需要的時間。很多即時任務是靠中斷驅動的，而且中斷事件必須在限定的時限內處理，否則將產生災難性後果，因此中斷延遲對於即時系統來說，是一個非常重要的指標。

2． 搶佔延遲

有時也稱調度延遲，搶佔延遲就是從一個外來事件發生到相應的處理該事件的任務的第一條命令開始執行的時間。大多數即時系統都是處理一些周期性的或非周期性的重複事件，事件產生的頻度就確定了任務的執行時限，因此每次事件發生時，相應的處理任務必須及時響應處理，否則將無法滿足時限。搶佔延遲就反映了系統的響應及時程度。

如果以上兩個指標是確定的，可預測的，那麼就可以說系統是即時的。

三、影響系統即時性的因素

對系統即時性的影響因素既有硬體方面的，也有軟體方面的。

現代的高效能的硬體都使用了cache技術來彌補CPU和記憶體間的效能差距，但是cache卻嚴重地影響著即時性，指令或資料在cache中的執行時間和指令或資料不在cache中的執行時間差距是非常巨大的，可能差幾個數量級，因此為了保證執行時間的確定性和可預測性，來滿足即時需要，一些系統就失效了cache或使用沒有cache的CPU。

另一個硬體方面的影響因素就是虛存管理，對於多使用者多任務的作業系統，它確實非常有用，它使得系統能夠執行比實體記憶體更大的任務，而且各任務互不影響，完全有自己的獨立的地址空間。但是虛存管理的缺頁機制嚴重地影響了任務執行時間的可預測性和確定性，任務執行時使用缺頁機制調入訪問的指令或資料和被執行的指令和資料已經在記憶體中需要的執行時間的差距是非常大的。因此一些即時系統就不使用虛存技術，例如 Wind River的VxWorks。

在軟體方面，影響因素包括關中斷、不可搶佔、一些O(n)的演算法。

前面已經提到，中斷延遲是衡量系統即時性的一個重要指標。關中斷就導致了中斷無法被響應，增加了中斷延遲。

前面提到的搶佔延遲也是衡量系統即時性的重要指標。如果發生即時事件時系統是不可搶佔的，搶佔延遲就會增加。

還有就是一些時間複雜度為O(n)的演算法也影響了執行時間的不確定性，例如任務調度演算法，要想執行即時任務必須進行調度，如果調度演算法的執行時間取決於當前系統啟動並執行任務數，那麼調度即時任務所花費的時間就是不確定的，因為它是與系統啟動並執行任務數呈線性關係的函數，啟動並執行任務越多，時間就越長。

四、嵌入式系統需要即時Linux

Linux在設計之初沒有對即時性進行任何考慮，因此非即時性絕非偶然。Linus考慮的是資源共用，吞吐率最大化。但是隨著Linux的快速發展，它的應用已經遠遠超出了Linus自己的想象。Linux的開放性已經對很多種架構的支援使得它在嵌入式系統中得到了廣泛的應用，但是許多嵌入式系統的即時性要求使得Linux在嵌入式領域的應用受到了一定的障礙，因此人們要求Linux需要即時性的呼聲越來越高。

Linux的開放性和低成本是即時Linux發展的優勢，越來越多的研究機構和商業團體開展了即時Linux的研究與開發，其中最著名的就是FSMLab的Rtlinux和TimeSys Linux。還有一個就是Ingo's RT patch。

五、標準Linux核心制約即時性的因素

標準Linux有幾個機制嚴重地影響了即時性。

1．核心不可搶佔

在Linux 2.4和以前的版本，核心是不可搶佔的，也就是說，如果當前任務運行在核心態，即使當前有更緊急的任務需要運行，當前任務也不能被搶佔。因此那個緊急任務必須等到當前任務執行完核心態的操作返回使用者態後或當前任務因需要等待某些條件滿足而主動讓出CPU才能被考慮執行，這很明顯嚴重影響搶佔延遲。

在Linux 2.6中，核心已經可以搶佔，因而即時性得到了加強。但是核心中仍有大量的不可搶佔地區， 如由自旋鎖 （spinlock）保護的臨界區，以及一些顯式使用preempt_disable失效搶佔的臨界區。

2．中斷關閉

Linux在一些同步操作中使用了中斷關閉指令，中斷關閉將增大中斷延遲，降低系統的即時性。

3．自旋鎖（spinlock）

自旋鎖是在可搶佔核心和SMP情況下對共用資源的一種同步機制，一般地一個任務對共用資源的訪問是非常短暫的，如果兩個任務競爭一個共用的資源時，沒有得到資源的任務將自旋以等待另一個任務使用完該共用資源。這種鎖機制是非常高效的，但是在保持自旋鎖期間將失效搶佔，這意味著搶佔延遲將增加。在2.6核心中，自旋鎖的使用非常普遍，有的甚至對整個一個數組或鏈表的便曆過程都使用自旋鎖。因此搶佔延遲非常不確定。

4．大核心鎖

由於曆史原因，核心一直保留有幾個大核心鎖，大核心鎖實質上也是一種自旋鎖，但是它與一般的自旋鎖的區別是，它是用於同步整個核心的，而且一般該鎖的保持時間較長，也即搶佔失效時間長，因此它的使用將嚴重地影響搶佔延遲。

5．中斷總是最高優先順序的

在Linux中，中斷（包括非強制中斷）是最高優先順序的，不論在任何時刻，只要產生中斷事件，核心將立即執行相應的中斷處理函數以及非強制中斷，等到所有掛起的中斷和非強制中斷處理完畢有才執行正常的任務。因此在標準的Linux系統上，即時任務根本不可能得到即時性保證。例如，假設在一個標準Linux系統上運行了一個即時任務（即使用了SCHED_FIFO調度策略並且設定了最高的即時優先順序），但是該系統有非常繁重的網路負載和I/O負載，那麼系統可能一直處在中斷處理狀態而沒有機會運行任何任務，這樣即時任務將永遠無法運行，搶佔延遲將是無窮大。因此，如果這種機制不改，即時Linux將永遠無法實現。

6．調度演算法和調度點

在Linux 2.4和以前的版本，調度器的時間複雜度是O(n)的，而且在SMP的情況下效能低，因為所有的CPU共用一個任務鏈表，任何時刻只能有一個調度器運行。因此，搶佔延遲很大程度上以來於當前系統的任務數，具有非常大的不確定性和不可預測性。

在2.6核心中引入的O(1)調度器很好地解決了這些問題。

此外，即使核心是可搶佔的，也不是在任何地方可以發生調度，例如在中斷上下文，一個中斷處理函數可能喚醒了某一高優先順序進程，但是該進程並不能立即運行，因為在中斷上下文不能發生調度，中斷處理完了之後核心還要執行掛起的非強制中斷，等它們處理完之後才有機會調度剛才喚醒的進程。在標準Linux核心中，調度點（有意安排的執行任務調度的點）並不多，對2.4和2.6核心測試的結果表明，缺乏調度點是影響Linux即時性的一個因素。

六、現存的Linux即時技術

現有的著名的即時Linux實現包括RTLinux、RTAI和TimeSys。

1. RTLinux

RTLinux是著名的研究機構FSMLab研發的一款即時Linux，既有GPL和Free版本，又有商業版本。它使用的實現方式是子核心方法，即把Linux核心作為一個新實現的子核心的閑暇任務，子核心位於Linux核心和硬體抽象層之間，即時任務運行於子核心之上，只有當沒有即時任務需要運行時，Linux核心才有機會運行。

特別是對中斷的管理，它採用了一種軟體的方式來處理Linux內的中斷關閉，當Linux核心關閉中斷後，並不是真正地屏蔽了硬體中斷，相反，它使用了一個變數來儲存Linux核心的中斷標誌位，Linux核心的開關中斷只是影響了該變數，硬體的中斷由子核心來接管，當Linux核心關閉了中斷，子核心仍然可以響應任何中斷，只是如果子核心不需要處理的中斷才交給Linux核心來處理，如果Linux核心關閉了中斷，子核心將記錄該中斷並在Linux核心開啟中斷後提交它處理。

在RTLinux裡，每一個即時任務都是核心線程，運行在核心空間，RTLinux提供了一套專門的機制來在即時任務和普通的Linux任務之間進行處理序間通訊。

這種子核心的實現提供了非常好的即時性，完全是一個硬即時的Linux。

2．TimeSys Linux

Timesys很早就發布了即時Linux的商業版以及GPL版，它採用了與RTLinux完全不同的實現方式。前面已經提到了標準Linux核心的即時限制，TimeSys Linux就是通過消除這些限制來達到即時性的。它把中斷(IRQ)和非強制中斷(softIRQ)全部線程化並賦予不同的優先順序，即時任務可以有比中斷線程更高的優先順序，它使用Mutex替代spinlock來使得自旋鎖完全可搶佔。它也對調度器做了最佳化使它是O(1)的（註：因為使用2.4核心）。由於中斷已經線程化了，很多中斷關閉就沒必要了，因而消除了很多中斷關閉地區。它還實現了對CPU和網路資源的預定來改善即時性。後面將說的Ingo's RT patch就是借鑒這些思路來實現即時性的。

這種實現方式保持了全部的Linux應用編程模式，即時應用和普通的應用採用同樣的編程方式，使用同樣的API，只是即時任務需要明確指定自己的優先順序與調度策略。但是這種實現方式也有弊病，那就是它滿足硬即時性有一定的困難，因為即使中斷關閉和不可搶佔區大為減少，但是還是存在，一些中斷還是無法線程化，如時鐘中斷等。

3. Ingo's RT patch

Ingo's RT patch是又一個Linux即時實現，它採用了與TimeSys完全相同的技術路線，而且有一些實現是基於TimeSys的原始碼的，如IRQ和softirq線程化。但是它與前面提到的兩個即時實現不同的地方是，它可能併入到標準Linux核心（作者預見，可能併入到2.6.13或以後的某個版本中）。在最新的標準核心Linux 2.6.11中，已經出現了這個補丁曾經包含的部分代碼，如IRQ子系統，那是IRQ和softirq線程化的基礎，已經隱含了一些線程化的代碼，如自願搶佔代碼，那是2.4的低延遲補丁（low latency patch）和Ingo的一些自願搶佔代碼以及Robert Love的鎖分解補丁的集合，還有可搶佔的大核心鎖。