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標題: 如何選擇一個合適的嵌入式操作系統？Linux操作系統實時性分析 [打印本頁]

作者: xyd521 時間: 2018-8-7 16:30
標題: 如何選擇一個合適的嵌入式操作系統？Linux操作系統實時性分析
選擇一個合適的嵌入式操作系統，可以考慮以下幾個因素：

第一是應用。如果你想開發的嵌入式設備是一個和網絡應用密切相關或者就是一個網絡設備，那么你應該選擇用嵌入式Linux或者uCLinux，而不是uC/OS-II。

第二是實時性。沒有一個絕對的數字可以告訴你什么是硬實時，什么是軟實時，他們之間的界限也是十分模糊的，這與你選擇什么樣的CPU，它的主頻、內存等參數有一定關系。如果你使用加入實時補丁等技術的嵌入式Linux，如Monta Vista Linux(2.4.17版本)，最壞的情況只有436微秒，而99.9%的情況是195微秒以內。考慮到最新的Linux在實時性方面的改進，它可以適合于90~95%的各種嵌入式系統應用。當然，你如果希望更快的實時響應，如高速A/D轉換需要幾個微秒以內的中斷延時，可能采用uC/OS-II是合適的。當然，采用像Vxworks這樣傳統的嵌入式操作系統也可以滿足這樣的強實時性要求。

為什么選擇Linux操作系統

Linux系統作為一個GPOS(通用操作系統)發展至今已經非常成熟可靠了，并且由于遵循GPL協議，開放所有系統源代碼，非常易于裁剪。更重要的是，與其他開源的GPOS或RTOS相比，Linux系統支持多種處理器、開發板，提供多種軟件開發工具，同時Linux系統對網絡和圖形界面的支持非常出色。顯然，選擇Linux操作系統在產品的開發周期和成本控制方面都有巨大優勢。

憑借經濟和技術方面的諸多優勢，Linux正被越來越多的嵌入式設備所使用。Linux在嵌入式系統市場的占用率越來越高，以下是大部分產品選擇Linux系統的原因：

Linux支持的硬件設備種類繁多。
Linux支持非常多的應用程序和網絡協議。
Linux的擴展性很好，從小型的消費電子產品到大型、笨重的電信級交換機和路由器都可以采用Linux。
和傳統的專有嵌入式操作系統不同，部署Linux不需要繳納專利費。
Linux吸引了為數眾多的活躍的開發者，能很快支持新的硬件架構、平臺和設備。
越來越多的硬件和軟件廠商，包括幾乎所有的頂級芯片制造商和獨立軟件開發商，現在都支持Linux。

什么是實時?

實時系統的典型定義如下：“所謂實時系統，就是系統中計算結果的正確性不僅取決于計算邏輯的正確性，還取決于產生結果的時間。如果完成時間不符合要求，則可以說系統發生了問題。”也就是說，不管實時應用程序進行的是何種任務，它不僅需要正確進行該任務而且還必須及時完成它。

人們很容易對實時產生誤解，認為實時即速度足夠快，實際上，實時并不意味著速度快。實時的關鍵在于保證完成時間，而不在于原始速度，因為速度性能與硬件相關，可以通過搭建快速硬件平臺(處理器、存儲器子系統等)來獲得所需的性能。而實時的行為是一個軟件問題，其目標是讓關鍵的操作能夠在所保證的時間之內完成。

實時進程不會影響自己在執行環境中的調度，反而是環境影響實時應用程序的調度。也就是說，實時進程通常和某個物理事件相關聯，比如外圍設備的中斷。那么顯然，影響實時的原因在于中斷響應延時，在Linux系統中可細分為中斷延時、中斷處理、調度延時。一般來說，針對用戶對超出時間限制所造成的影響的可接受程度，實時又可分為軟實時和硬實時。

軟實時
大多數人都同意軟實時意味著操作有時間限制。如果超過了時間限制后操作還沒有完成的話，體驗的質量就會下降，但不會帶來致命后果。桌面工作站就是一個需要軟實時功能的絕好例子。編輯文檔時，你期望在按鍵之后立刻在屏幕上看到結果。在播放MP3文件時，你期望聽到沒有任何雜音、爆音或中斷的高品質音樂。如果這些所謂的軟實時事件錯過了時限，結果可能不盡如人意，并導致體驗的質量有所下降，但這并不是災難性的。

硬實時
硬實時的特點是錯過時限會造成嚴重結果。在一個硬實時系統中，如果錯過了時限，后果往往是災難性的。當然，“災難”是相對而言的。但如果你的嵌入式設備正在控制噴氣式飛機引擎的燃料流，而它沒有能夠及時響應飛行員輸入的命令或操作特性的變化，致命后果就不可避免了。

這里，我們總結一下軟實時和硬實時的定義。對于軟實時系統，如果錯過了時限，系統的計算值或結果會不太理想。然而，對于硬實時系統，如果錯過了某個時限，系統就是失敗的，而且可能會造成災難性的后果。

制約標準Linux操作系統實時性的因素

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。)

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。下一節將介紹通過實時補丁來提高Linux實時性的方法。

常用的實時Linux改造方案

根據實時性系統要求以及Linux的特點和性能分析，對標準Linux實時性的改造存在多種方法，較為合理的兩大類方法為：
直接修改Linux內核源代碼。
雙內核法。

1 直接修改Linux內核源代碼
對Linux內核代碼進行細微修改并不對內核作大規模的變動，在遵循GPL協議的情況下，直接修改內核源代碼將Linux改造成一個完全可搶占的實時系統。核心修改面向局部，不會從根本上改變Linux內核，并且一些改動還可以通過Linux的模塊加載來完成，即系統需要處理實時任務時加載該功能模塊，不需要時動態卸載該模塊。

目前kernel.org發布的主線內核版本還不支持硬實時。為了開啟硬實時的功能，必須對代碼打補丁。實時內核補丁是多方努力的共同成果，目的是為了降低Linux內核的延時。這個補丁有多位代碼貢獻者，目前由Ingo Molnar維護，補丁網址如下：
www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/。

在配置已經打過實時補丁的內核代碼時，我們發現實時補丁添加了第4種搶占模式，稱為PREEMPT_RT(實時搶占)。實時補丁在Linux內核中添加了幾個重要特性，包括使用可搶占的互斥量來替代自旋鎖;除了使用preempt_disable()保護的區域以外，內核中的所有地方都開啟了非自愿式搶占(involuntary preemption)功能。這種模式能夠顯著降低抖動(延時的變化)，并且使那些對延時要求很高的實時應用具有可預測的較低延時。

這種方法存在的問題是：很難百分之百保證，在任何情況下，GPOS程序代碼絕不會阻礙RTOS的實時行為。也就是說，通過修改Linux內核，難以保證實時進程的執行不會遭到非實時進程所進行的不可預測活動的干擾。

2 雙內核法
實際上，雙內核的設計緣由在于，人們不相信標準Linux內核可以在任何情況下兌現它的實時承諾，因為GPOS內核本身就很復雜，更多的程序代碼通常會導致更多的不確定性，這樣將無法符合可預測性的要求。更何況Linux內核極快的發展速度，使其會在很短的時間內帶來很大的變化，直接修改Linux內核源代碼的方法將難以保持同步。

雙內核法是在同一硬件平臺上采用兩個相互配合，共同工作的系統核心，通過在Linux系統的最底層增加一層實時核心來實現。其中的一個核心提供精確的實時多任務處理，另一個核心提供復雜的非實時通用功能。

雙內核方法的實質是把標準的Linux內核作為一個普通進程在另一個內核上運行。關鍵的改造部分是在Linux和中斷控制器之間加一個中斷控制的仿真層，成為其實時內核的一部分。該中斷仿真機制提供了一個標志用來記錄Linux的關開中斷情況。一般只在修改核心數據結構關鍵代碼時才關中斷，所以其中斷響應很小。其優點是可以做到硬實時，并且能很方便地實現一種新的調度策略。

為方便使用，實時內核通常由一套可動態載入的模塊提供，也可以像編譯任何一般的子系統那樣在Linux源碼樹中直接編譯。常用的雙內核法實時補丁有RTLinux/GPL、RTAI 和 Xenomai，其中RTLinux/GPL只允許以內核模塊的形式提供實時應用;而RTAI和Xenomai支持在具有MMU保護的用戶空間中執行實時程序。下面，我們將對RTAI與Xenomai進行分析。

圖1. RTAI(左)和Xenomai(右)實時內核在Linux中的分層結構

圖1所示為RTAI和Xenomai兩個實時內核分別與標準Linux內核組成雙內核系統是的分層結構。可以看到兩者有稍微不同的組織形式，與Xenomai讓ADEOS掌控所有的中斷源不同的是，RTAI攔截它們，使用ADEOS將那些RTAI不感興趣的中斷通知送給Linux(也就是，中斷不影響實時時序)。這樣混合過程的目的是提高性能，因為在這種情況下，如果中斷是要喚醒一個實時任務，就避免了由ADEOS管理中斷的開銷。從這里可以看出，RTAI的實時性能應該是比Xenomai要好的。

RTAI(Real-Time Linux Application interface)雖然實時性能較好，但對ARM支持不夠，更新速度極慢，造成項目開發周期長，研發成本高。

與RTAI相比，Xenomai更加專注于用戶態下的實時性、提供多套與主流商業RTOS兼容的API以及對硬件的廣泛支持，在其之上構建的應用系統能保持較高實時性，而且穩定性和兼容性更好;此外，Xenomai社區活躍，緊跟主流內核更新，支持多種架構，對ARM的支持很好。

Xenomai是Linux內核的一個實時開發框架。它希望無縫地集成到Linux環境中來給用戶空間應用程序提供全面的、與接口無關的硬實時性能。Xenomai是基于一個抽象實時操作系統核心的，可以被用來在一個通用實時操作系統調用的核心上，構建任意多個不同的實時接口。Xenomai項目始于2001年8月。2003年它和RTAI項目合并推出了RTAI/fusion。2005年，因為開發理念不同，RTAI/fusion項目又從RTAI中獨立出來作為Xenomai項目。相比之下，RTAI項目致力于技術上可行的最低延遲;Xenomai除此之外還很著重擴展性、可移植性以及可維護性。Xenomai項目將對Ingo Molnar的PREEMPT_PT實時搶占補丁提供支持，這又是與RTAI項目的一個顯著的不同。RTAI和Xenomai都有開發者社區支持，都可以作為一個VxWorks的開源替代。

Xenomai是基于Adeos(Adaptive Domain Environment for Operating System)實現的，Adeos的目標是為操作系統提供了一個靈活的、可擴展的自適應環境;在這個環境下，多個相同或不同的操作系統可以共存，共享硬件資源。基于Adeos的系統中，每個操作系統都在獨立的域內運行，每個域可以有獨立的地址空間和類似于進程、虛擬內存等的軟件抽象層，而且這些資源也可以由不同的域共享。與以往傳統的操作系統共存方法不同，Adeos是在已有的操作系統下插入一個軟件層，通過向上層多個操作系統提供某些原語和機制實現硬件共享。應用上主要是提供了一個用于“硬件-內核”接口的納內核(超微內核)，使基于Linux環境的系統能滿足硬實時的要求。

Xenomai正是充分利用了Adeos技術，它的首要目標是幫助人們盡量平緩地移植那些依賴傳統RTOS的應用程序到GNU/Linux環境，避免全部重寫應用程序。它提供一個模擬器模擬傳統實時操作系統的API，這樣就很容易移植應用程序到GNU/Linux環境中，同時又能保持很好的實時性。Xenomai的核心技術就是使用一個實時微內核來構建這些實時API，也稱作“Skin”。Xenomai通過這種接口變種技術實現了針對多種傳統RTOS的應用編程接口，方便傳統RTOS應用程序向GNU/Linux的移植。圖2描述了Xenomai的這種帶Skin的分層架構。

圖2. 帶Skin接口的Xenomai分層結構

從圖2可以看出，Xenomai系統包含多個抽象層：Adeos納內核直接工作在硬件之上;位于Adeos之上的是與處理器體系結構相關的硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer, HAL);系統的中心部分是運行在硬件抽象層之上的抽象的實時內核，實時內核實現了一系列通用RTOS的基本服務。這些基本服務可以由Xenomai的本地API(Native)或由建立在實時內核上的針對其他傳統RTOS的客戶API提供，如RTAI、POSIX、VxWorks、uITRON、pSOS+等。客戶API旨在兼容其所支持的傳統RTOS的應用程序在Xenomai上的移植，使應用程序在向Xenomai/Linux體系移植的過程中不需要完全重新改寫，此特性保證了Xenomai系統的穩健性。Xenomai/Linux系統為用戶程序提供了用戶空間和內核空間兩種模式，前者通過系統調用接口實現，后者通過實時內核實現。用戶空間的執行模式保證了系統的可靠性和良好的軟實時性，內核空間程序則能提供優秀的硬實時性。
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