关于嵌入式linux 系统实时性问题的探讨.pdf
收稿日期:2007-02-22作者简介:曾树洪(1979-),男,四川泸州人,助教,在读工程硕士研究生。研究方向:计算机应用。关于嵌入式Linux系统实时性问题的探讨曾树洪(惠州学院 计算机科学系,广东 惠州 516001)摘 要:本文简单介绍了嵌入式系统和嵌入式操作系统及其特点,说明了Linux系统作为嵌入式操作系统的发展优势和它在满足嵌入式系统的实时应用方面存在的问题,探讨了解决嵌入式Linux系统实时问题的若干方案。关键词:嵌入式系统;Linux系统;实时性;内核中图分类号:TP31 文献标识码:A 文章编号:1671-5934(2007)03-0061-05随着数字信息技术和网络技术的高速发展,我们已经进入后PC时代。所谓后PC时代是指:计算机无所不在,它渗透到我们工作和生活的方方面面。后PC时代的绝大多数计算机是以非计算机的形式出现的。这些设备的核心部分都有计算机,但大多是以嵌入式系统的形式存在,而不是以整机的形象出现。我们能够想象有人可能从来没有接触过计算机,但不能想象他从来没有接触过嵌入式系统。因为嵌入式系统无处不在,从家庭的洗衣机,电冰箱,自行车,小汽车,到办公室里的远程会议系统等等,这些都属于可以使用嵌入式技术进行开发和改造的产品。1 嵌入式系统与嵌入式操作系统1、嵌入式系统及其特点嵌入式系统被定义为:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户应用程序等四部分组成,用于对其他设备的控制、监视或管理等功能。与通用计算机系统相比,嵌入式系统具有以下特点:(1)专用紧凑:由于嵌入式设备的用途固定,成本敏感,其软硬件够用即可。因此,它在体积、功耗、配置等方面有明显的约束;(2)实时响应:嵌入式系统是某种技术过程信号处理和控制的核心处理环节,必须满足技术过程的时限要求,一定要具有实时处理的特性;(3)并发处理:在嵌入式系统的应用环境中,系统处理的事件往往是多个,而且可能同时发生,所以嵌入式系统一般具有并发特征;(4)稳定可靠:嵌入式系统产品使用环境不定,使用条件往往恶劣,故其稳定性和可靠性是必备条件;(5)技术密集:嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和各行各业的具体应用相结合后的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集的、不断创新的知识集成系统;(6)开发困难:嵌入式系统本身不具备自举开发能力,设计完成以后通常是不能对其中的程序功能进第27卷第3期2007年6月惠州学院学报(自然科学版)JOURNAL OF HUIZHOU UNIVERSITYVol127 No13Jun12007 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/行修改,必须有一套开发工具和开发环境才能进行开发。它的开发依赖于通用计算机上的软、硬件设备以及逻辑分析仪、混合信号示波器等;(7)样式多样:嵌入式系统应用于国民经济各个领域,其品种繁多、形式多样。2、嵌入式操作系统及其特点嵌入式操作系统是专用于嵌入式系统中的操作系统。由它来对整个嵌入式系统的硬件资源进行管理,并为用户提供易用的软件平台。由于嵌入式系统的自身特点,嵌入式操作系统也具有以下几个特点:(1)微型化:嵌入式操作系统的运行平台不是普通的计算机,而是嵌入式计算机。这类嵌入式信息装置中一般没有多少内存可用,外存也几乎是空白。因此嵌入式操作系统必须做的比较微小,以尽量少占用系统资源。(2)高质量、高可靠性:尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加,但在大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的,还存在实时性的要求。为此,要求操作系统及编译工具的质量要高,以减少程序二进制代码长度,提高执行速度。(3)实时性:嵌入式系统广泛应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体信息处理等要求迅速响应的场合,因此实时性成为嵌入式操作系统的又一特点。(4)构件化:应用的多样性,要求嵌入式操作系统有很强的适应能力,能够根据嵌入式应用系统的特点和要求,灵活配置,合理裁减,以适应微型化和专业化的要求。2 嵌入式Linux系统和它的发展优势从20世纪80年代开始,出现了各种各样的商业用嵌入式操作系统。这些操作系统大部分都是为专用系统而开发,从而形成了目前多种形式的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面。而嵌入式Linux由于自身诸多优势逐渐成为嵌入式操作系统的宠儿。所谓嵌入式Linux系统,就是根据实际情况的需要对发行版的Linux进行适当的裁减,得到一个小型操作系统,能够固化在容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中,应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统1。与其他的嵌入式操作系统相比,Linux具有一些独特的发展优势:(1)Linux系统的源代码是完全开放的。在内核代码完全开放的前提下,不同领域和不同层次的用户可以根据应用需要很容易地对内核进行改造,在低成本的前提下,设计和开发出真正满足需要的嵌入式系统。(2)强大的网络支持功能。Linux诞生于因特网并具有Unix的特性,这就保证了它支持所有标准因特网协议,并且可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCPIP网络协议栈。(3)Linux具备一整套工具链,容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境,并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。一般开发嵌入式操作系统的程序调试和跟踪都是使用仿真器来实现的,而使用Linux系统做原型,可以绕过这个障碍,直接使用内核调试器来做操作系统的内核调试和查错。(4)Linux具有广泛的硬件支持特性。无论是RISC还是CISC、32位还是64位等各种处理器,Linux都能运行。3 嵌入式Linux系统的实时性问题1、嵌入式应用对操作系统实时性的要求嵌入式应用常常是实时系统,如医疗、航空、交通、工业控制等应用场合。控制对象的动作具有严格的、机械的时序要求,系统时间上的错误,一般会造成严重、甚至是灾难性的后果。在这样的应用环境中,非实时的普通操作系统是无法适应的。实时性的要求需要嵌入式软件能及时、并行、协调地对外26惠州学院学报(自然科学版)2007年第27卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/部事件做出正确的响应,并能有效地利用系统资源,避免竞争资源造成系统崩溃。单任务软件是不能满足这些要求的,只有多任务实时操作系统才能胜任,因为它能对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度,保证每个任务及时执行。实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务,重点是满足对时间的限制和要求。虽然事件可能在无法预知的时刻到达,但是软件在事件发生时能在严格的时限内作出响应(系统响应时间),即使是在尖峰负荷下,也是如此。另外,实时操作系统要具有系统的可确定性,即系统能对运行情况的最好和最坏情况做出精确的估计。2、普通Linux内核存在的实时性问题高实时性是嵌入式操作系统的基本要求。Linux系统是类Unix系统,从实质上说,Linux系统也是分时系统,而不是一个真正的实时操作系统,内核不支持事件优先级和抢占实时特性2,它在实时性方面存在着如下问题:(1)Linux分为用户态和内核态两种模式。进程运行在用户态时,实时进程具有高的优先级,能进行进程抢占,故可以较好的完成任务;进程运行在内核态时,如系统调用,实时进程不能抢占该进程。因此,从实质上来说,Linux内核是非抢占式的。(2)Linux进程调度采用多级反馈轮转算法,该调度算法,仅能获得秒级响应时间。一个实时进程在一个时间片内未完成,其优先级将降低,从而可能造成到截止时间都无法完成。(3)Linux虽然给实时进程提供了较高的优先级,但是,并没有加入时间限制参数,如完成的最后期限、应在多长时间内完成、执行周期等等。同时,其它大量的非实时进程也可能对实时进程造成阻塞,无法确保实时进程的响应时间。另外,当有多个实时进程互斥请求共享资源时,由于其使用的同步原语不支持优先级继承协议(PIP),易产生优先级倒置。(4)在定时器方面,有下列几方面缺陷:第一,Linux的周期模式定时器频率仅为100Hz,远不能满足许多实时应用的要求。第二,软定时由时钟定时器完成,当软定时器较多时,势必引起共享时钟定时器的冲突。第三,Linux中断句柄不可调度,但在实时系统中,期望能在一个可调度整体内处理这些中断句柄,从而能更有效的区分不同实时任务的紧迫度,分配不同的优先级。第四,单纯靠缩短时间片在对实时性能严格要求的场合是不受欢迎的,这将增加系统负荷。正是因为Linux系统是一个通用的操作系统,以满足大多数用户需要为目的,因而存在各种实时性的问题。而嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,具有某种实时性的要求,因此在构造嵌入式Linux系统时,应该根据具体的需要对操作系统的进程调度模块进行改造,以来满足实时性的要求。4 嵌入式Linux系统实时性问题的若干解决方案1、直接修改Linux内核这类方法主要是修改Linux内核中部分的代码,使得内核变成可抢占的,同时也缩短了核心态下的响应时间(latency-time)。在这种方法的最初实现中,只是在内核代码区存在较长响应时间的地方增加调度点,主动调用调度程序,所以该方法又被称为low-latency patch法。进一步的方案则是使得低优先级的进程在执行系统调用时也能够被抢占,即提供完全的可抢占调度,这在系统调用没有使用资源锁的地方是可以实现的。结果表明后一种方法比较有效3。2、改造Linux内核的体系结构这类方法在实际的Linux内核下面又提供了一个微型的操作系统内核,由它对系统的调度事件和中断事件进行响应处理,如果是非实时的事件则交由上层Linux内核作最终的执行。RT Linux以及现在最新研究的L4-Linux可以说都是采用这种思想的取得的成果。这种思想可以用下面的结构图来描述:36 第3期曾树洪:关于嵌入式Linux系统实时性问题的探讨 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ApplicationsLibrariesLinux kernelReal TimeApplicationsRTLinux kernel图1 改造后的Linux内核结构最底层就是增加的微型实时性内核,当系统要驱动设备时,该层可以被透明地穿过;当高优先级的实时应用运行时,该层接管处理机的分配,并延迟中断;而当一般进程运行时,仍按原有的调度方式。这种方法的支持者们认为该方法非常简单,并具有良好的扩展性。而它的反对者则认为该方法下的编程模式太笨拙不可取。两方面的理由都很充足,而且很难用简单的标准来衡量。该方面的研究已经持续多年,技术相对比较成熟,接受面比较广泛。以上所述的两种提高Linux实时性的方法都是从操作系统的理论出发,从根本上改造Linux内核下手,以期能够得到一个提供强实时的操作系统。这种思路是一种很自然的问题解决方式,而且能够取得一定的效果。但这种思路面临一个矛盾,如果为了达到强实时而全面地对Linux内核进行改造,这种工作无啻于创造一个新的实时操作系统,它对原Linux的优良特性、应用技术及工具的继承产生很大的问题,这是改造Linux内核应极力避免的事;但如果追求继承性和广泛支持性,不对Linux内核进行彻底改造,那么它的实时性会大打折扣,这是一个鱼和熊掌不可兼得的问题。从另一个角度来思考,改造Linux内核提高其实时性是为了满足有实时要求的应用服务。实时性应用多种多样,有强实时、弱实时、混合实时,有时间驱动型、优先级驱动型。不同的实时应用有不同时间要求,对这些要求采用一个统一的、也是最高的标准是不必要,而且这是牺牲了Linux的广泛支持性而取得的。况且实时应用除了对时间响应有要求外,还有其它的性能特征,这些特征很难用一种固定的模式来满足4。所以抛开实时系统的要求和多样性,抽象地从操作系统理论研究Linux内核可能对Linux本身的发展有好处,但对满足实时应用不一定能取得好的效果。3、基于实时系统理论提高LINUX的实时性从实时系统的理论出发改造Linux实时性的方法,重点在于对实时理论的研究与理解,而改造Linux内核来满足实时系统的需求只是一种手段和应用过程。从实时理论出发改造Linux实时性的方法应该有两个必要条件(进行两部分工作):(1)应有一套研究实时应用的理论工具,能够用该工具对这些实时应用的要求、特性作理论分析,以得出提高实时性的方法、算法或策略;(2)能够将得出的理论结果或方法用于Linux内核,这个过程应该是一种通用的程序化方法,它可以简化内核的改造工作。实时系统理论发展到现在已经成为计算机技术的一个重要分支,它主要研究的是那些完成某种工作或提供某种服务具有时间性的系统,而这种时间性不仅仅是指响应时间。在任务管理时,实时系统理论主要研究任务之间的时间满足关系和制约关系,所以对时间特性有严格的定义。实时系统本身具有较强的理论性,它借鉴了许多数学方法和工具来抽象模型研究实际的问题,如排队论等。实时系统研究的是在有限的资源上如何按要求(如时间要求等)比较优的完成任务。这样的问题求解,需要对问题有一个形式化的描述。描述方法不只一种,不同的描述方法也导致不同的研究方法和研究工具。一种最广泛使用的描述方法是由Jane W.S.Liu教授所描述的实时系统参考模型(referencemodel of real-time system)5。根据这种参考模型,每一个实际的实时系统都可以由三种元素来描述:46惠州学院学报(自然科学版)2007年第27卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(1)一个描述系统任务工作负载的模型;(2)一个描述系统任务可获得的资源的模型;(3)描述系统如何来有效使用可获得资源完成系统任务的算法(或策略)集合。通过这三个描述元素,可以准确的把一个实际问题抽象成一个模型系统。一个系统建立之后,其任务模型和资源模型一般是不变的,所以接下来工作的重点就在于,根据实时系统理论研究如何使整个系统满足时间上的要求,在满足要求的基础上是否还有最优解。这部分的工作一方面是研究新的算法(或策略),另一方面则是对应用系统选择和设计匹配的算法。将实时系统的模型用于提高Linux内核实时性,还有赖于一个方法或结构进行设计和验证,这就是操作系统的开放式系统结构。开放式系统结构的本质在于将调度策略与调度机制相分离,调度策略可以独立的设计与验证,而与操作系统无关,这也正是从实时理论出发提高Linux实时性所需要的。调度策略可从模型研究中得出,基于操作系统的开放式系统结构进行单独的设计与验证,证明可行后再通过定义好的接口移植到Linux内核上。5 结束语由于自身的一系列优势,Linux系统是构建嵌入式系统的最佳操作系统之一;由于诞生于Unix,Linux系统在实时性方面又存在着天生的弱点。为满足应用的需求,对嵌入式Linux进行实时性改造十分重要。因此,探讨改进嵌入式Linux系统的实时性问题具有很强的实用价值。参考文献:1陈闳中.Linux在嵌入式操作系统中的应用J.同济大学学报,2001,29(5):274-276.2邹勇.开放式实时系统的调度理论与方法分析J.软件学报,2003,14(1):83-90.3王学龙.嵌入式Linux系统设计与应用M.北京:清华大学出版社,2001.4 KURE W.GNULinux编程指南:第2版M.北京:北京科海电子出版社,2002.5 JANE W S.Real-Time System:1 Edition M.Beijing:Higher Education Press,2000.【责任编辑:吴跃新】Discussing Real Time Problem of Embedded Linux SystemZENG Shu2hong(Department of Computer Science,Huzhou University,Huizhou 516015,Guangdong China)Abstract:This paper first briefly introduces the embedded system and its operating characteristics,then explains advantages of theLinux System embedded with the operating system.Lastly it gives solutions to possible problems raising from the embedded Linux sys2tem.Key words:embedded system;Linux System;real time;core56 第3期曾树洪:关于嵌入式Linux系统实时性问题的探讨 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/
