基于APIC時(shí)鐘的嵌入式Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化研究

引言

嵌入式Linux是指對(duì)Linux進(jìn)行剪裁后，將其固化在單片機(jī)或者存儲(chǔ)器中，應(yīng)用于特定場合的專用Linux系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性能高，但Linux為分時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，盡管最新的內(nèi)核在實(shí)時(shí)性能方面有所提高，但它仍然不是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在很多場合不能滿足實(shí)時(shí)性要求。一般地，通過改造Linux的內(nèi)核以提高其實(shí)時(shí)性能有2種策略：一種是采用底層編程的方法對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行修改(如調(diào)度算法、時(shí)鐘修改等)，典型的系統(tǒng)有Kansas大學(xué)開發(fā)的KURT。文獻(xiàn)提出了搶占式內(nèi)核調(diào)度算法，容易引起內(nèi)核優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)，文獻(xiàn)針對(duì)非搶占式內(nèi)核，增加搶占點(diǎn)，該方法需要優(yōu)秀的調(diào)度算法。另一種途徑是Linux的外部實(shí)時(shí)性擴(kuò)展，在原有Linux基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)一個(gè)用于專門處理實(shí)時(shí)進(jìn)程的內(nèi)核，典型的系統(tǒng)有RTLinux、 RTAI等。此方法的不足是RTLinux現(xiàn)在已經(jīng)停止了更新，目前的開源版本僅支持2.4內(nèi)核，RTAI的設(shè)計(jì)原理和RTLinux類似，也是一個(gè)實(shí)時(shí)性應(yīng)用接口。本文采用APIC時(shí)鐘修改的方法對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，修改APIC中斷函數(shù)，將APIC中斷和8254中斷排序，使得硬實(shí)時(shí)中斷的優(yōu)先級(jí)大于普通8254中斷。通過多組仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該改造方法是有效的。

1 嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性分析

Linux設(shè)計(jì)的初衷是系統(tǒng)吞吐量的平衡，其內(nèi)核試圖通過一種公平分配的策略來實(shí)現(xiàn)各進(jìn)程平均地共享系統(tǒng)資源：

(1)內(nèi)核的不可搶占性：Linux的內(nèi)核在單處理器上不可搶占，當(dāng)一個(gè)任務(wù)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)具有更高優(yōu)先級(jí)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(jí)逆轉(zhuǎn)。

(2)進(jìn)程調(diào)度的不可搶占性：Linux作為一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)，采用多級(jí)反饋輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，它保證了每一個(gè)進(jìn)程都有一種調(diào)度策略，但是都放在同一個(gè)隊(duì)列中運(yùn)行，這也是Linux作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)弱點(diǎn)。圖1是Linux調(diào)度機(jī)制框圖。

(3)時(shí)鐘中斷的精度不高：Linux 2.4.X內(nèi)核的時(shí)鐘中斷周期為10 ms，時(shí)鐘粒度太過于粗糙，不能滿足實(shí)時(shí)性要求。

(4)Linux的虛擬存儲(chǔ)管理：Linux采用段和頁機(jī)制的虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)，進(jìn)程在硬盤和內(nèi)存間的換入換出必然帶來額外的開銷，造成很大的延遲。

由此可見，要將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域要求。

2 基于時(shí)鐘修改的內(nèi)核改造方案

在單CPU系統(tǒng)中，與時(shí)間有關(guān)的活動(dòng)都是由8254時(shí)鐘芯片來驅(qū)動(dòng)的，8254產(chǎn)生0號(hào)中斷。直接修改內(nèi)核定時(shí)參數(shù)HZ的初值就可構(gòu)造細(xì)粒度定時(shí)器。這種方式實(shí)現(xiàn)起來很簡單，但是由此帶來頻繁的定時(shí)中斷使得系統(tǒng)的開銷很大，當(dāng)然隨著硬件速度的提高，這種開銷會(huì)逐步降低。

簡單地修改赫茲參數(shù)HZ進(jìn)行實(shí)時(shí)化的方法顯然并不可取。Linux 2.6內(nèi)核的時(shí)鐘粒度是1 ms，但仍然與嵌入式領(lǐng)域的實(shí)時(shí)化要求差距較遠(yuǎn)，因此需要更高精度的時(shí)鐘。目前常見的修改時(shí)鐘系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)化的方法都是從軟件層面著手，這方面己獲得較大進(jìn)展，但是從時(shí)鐘系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分析并開展實(shí)時(shí)化工作也是一個(gè)值得注意的方向。本文利用先進(jìn)的APIC時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度時(shí)鐘系統(tǒng)，提供了高精度的中斷響應(yīng)，從而以較少的改動(dòng)獲得較高的實(shí)時(shí)性。

APIC以總線頻率工作，可立即執(zhí)行所有的定時(shí)器操作，目前x86都有片內(nèi)APIC，用戶可在單CPU內(nèi)使用APIC。APIC除了能提供高精度的時(shí)鐘外還具有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，是由于它位于片內(nèi)，對(duì)其編程只需幾個(gè)CPU指令周期，而對(duì)IntelX86的8254存取需要若干慢速的ISA總線指令。

在100MHz的CPU系統(tǒng)中，處理一個(gè)中斷的時(shí)間不到10μs，因此高速CPU完全可在更短的時(shí)間內(nèi)處理更多的APIC中斷。理論上APIC可實(shí)現(xiàn)10 ns左右的系統(tǒng)時(shí)鐘，但實(shí)際上在處理中斷時(shí)要耗費(fèi)一些時(shí)間，因此中斷的響應(yīng)時(shí)間要大于10 ns。

APIC本身提供了中斷處理函數(shù)apic_timer_interrupt，該函數(shù)包括 Irq_enter()，Run_realtimer_queue()和irq_exit()，其中函數(shù)irq_ exit通常負(fù)責(zé)判斷當(dāng)前是否有8254產(chǎn)生的軟中斷存在，如果存在，就會(huì)觸發(fā)8254軟中斷，這樣會(huì)造成APIC硬中斷處理延遲。本文的思路就是修改 irq_exit，在其中將各軟中斷線程和硬中斷線程進(jìn)行排序，使APIC硬中斷的優(yōu)先級(jí)高于軟中斷，此時(shí)硬中斷線程得到優(yōu)先處理，從而提高內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能。Irp_exit函數(shù)的核心代碼如下：

上面調(diào)用invoke_softirq()函數(shù)執(zhí)行軟中斷使本文修改的重點(diǎn)，修改中斷向量表，對(duì)向量表中所有軟中斷和實(shí)時(shí)中斷進(jìn)行排序，提前硬中斷的時(shí)間片，這樣使當(dāng)前處于pending狀態(tài)的軟中斷被屏蔽和懸掛，直到硬中斷處理完成為止。將invoke_softirq()函數(shù)修改為：

每個(gè)處理器時(shí)間片上能夠處理的中斷只有一個(gè)，通過更新當(dāng)前任務(wù)時(shí)間片，使硬中斷在第一時(shí)間獲得CPU的響應(yīng)，此時(shí)軟中斷將被屏蔽，這就保證了硬中斷能夠得到實(shí)時(shí)的響應(yīng)。

由于Linux采用8254完成時(shí)序分配，8254需要保留以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這樣的話，8254定時(shí)器和APIC必須共存，對(duì)于硬實(shí)時(shí)應(yīng)用，可采用 APIC時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)。在8254中斷過程中，如果產(chǎn)生APIC中斷，采用通過本文的方琺必須對(duì)優(yōu)先對(duì)APIC時(shí)鐘進(jìn)行響應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)8254中斷被搶占，此時(shí)上下文切換等操作可能導(dǎo)致不可預(yù)料的錯(cuò)誤。解決問題的方法可采取在APIC相應(yīng)中斷期間，關(guān)閉軟中斷，只有當(dāng)APIC中斷執(zhí)行完畢后，8254軟中斷才能夠被響應(yīng)。

3 實(shí)時(shí)性能測試與分析

實(shí)驗(yàn)條件1：CPU：PⅢ300 MHz，內(nèi)存為128 MB，硬盤為5 400轉(zhuǎn)的15 GB臺(tái)式機(jī)硬盤，操作系統(tǒng)為Fedora2.6.18內(nèi)核。環(huán)境一(vd-d1)采用原版內(nèi)核，環(huán)境二(vd-d2)采用改進(jìn)型內(nèi)核。測試方法為通過測試內(nèi)核的上、下文切換、內(nèi)存延遲及模擬外部中斷來評(píng)價(jià)改造前后的性能。統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在上、下文切換中I/0讀/寫和文件打開和關(guān)閉，改進(jìn)型內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能都有明顯提高，模擬TCP通道子項(xiàng)，改進(jìn)型內(nèi)核性能提高了約6倍，但在對(duì)中斷響應(yīng)要求不是很高的null call測試中，中斷響應(yīng)時(shí)間幾乎相同。改進(jìn)型內(nèi)核中斷響應(yīng)速度始終穩(wěn)定在微妙級(jí)。在處理器負(fù)荷較輕時(shí)原始內(nèi)核有著良好的內(nèi)存延遲，隨著處理器負(fù)荷的進(jìn)一步加重，原始內(nèi)核的內(nèi)存延遲急劇增加。在最差情況下，系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，延遲時(shí)間達(dá)到5μs。而改進(jìn)型內(nèi)核在處理器負(fù)荷變化時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變化不明顯，而且中斷響應(yīng)速度始終穩(wěn)定在2μs以下，性能穩(wěn)定。[!--empirenews.page--]

實(shí)驗(yàn)條件2：采用改進(jìn)型內(nèi)核，環(huán)境一(vd-d2)CPU：PIII 300 MHz，環(huán)境二(vd-d3)CPU降頻為200 MHz(接近ARM9)。統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果，獲得它們的文件系統(tǒng)延遲結(jié)果見圖4。圖4反映了同樣采用改進(jìn)型內(nèi)核，將CPU降頻前后，測試結(jié)果差距在10μs以內(nèi)，可看出在文件系統(tǒng)延遲中，處理器頻率的較小差距對(duì)內(nèi)核的影響不大。如采用高主頻的處理器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距較大。

4 結(jié)語

本文通過修改APIC時(shí)鐘，可顯著地改進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，通過對(duì)比試驗(yàn)可看出改進(jìn)型內(nèi)核具有良好的實(shí)時(shí)性能，滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求。本文方法使得嵌入式Linux系統(tǒng)在高實(shí)時(shí)性領(lǐng)域中得到實(shí)際的應(yīng)用。