Linux實時化技術(shù)及評價

　　2.6版本Linux內(nèi)核實時性能有一定增強，雙內(nèi)核方式的Linux實時化技術(shù)也在不斷發(fā)展中。原來由FSMLab維護的RTLinux，其版權(quán)在2007年2月被Wind River購買，RTAI支持x386等體系結(jié)構(gòu)，但由于其代碼較難維護、bug較難調(diào)試等原因，許多開發(fā)者加入了Xenomai項目。Xenomai支持最新2.6版 Linux，相比之下代碼相對穩(wěn)定和可維護，開發(fā)模式較活躍。

　　內(nèi)核補丁方式的Linux實時化技術(shù)在2.6版內(nèi)核基礎(chǔ)上做了大量改進，使得內(nèi)核中除了中斷關(guān)閉和IRQ線程分派、調(diào)度和上下文切換之外的絕大部分代碼都可以被搶占，不可搶占的自旋鎖保護臨界區(qū)從一千多個減少到幾十個，使得內(nèi)核實時性得到極大的提高，獲得社區(qū)廣泛支持并逐漸成為Linux實時化主流技術(shù)。

　　Linux內(nèi)核實時化改進

　　實時搶占內(nèi)核補丁針對Linux各種延遲進行了實時化改進，主要包括了幾個方面的技術(shù)。

　　● 實時搶占內(nèi)核

　　為了實現(xiàn)內(nèi)核完全可搶占，實時內(nèi)核臨界區(qū)用高性能優(yōu)先級繼承mutex替換原來自旋鎖(spin-lock)來進行保護，使得在臨界區(qū)內(nèi)的執(zhí)行也可被搶占。只有當(dāng)線程想訪問一個其他線程正在訪問的臨界區(qū)時，才被調(diào)度至睡眠，直到所保護的臨界區(qū)被釋放時被喚醒。

　　在實時搶占內(nèi)核中通過優(yōu)先級繼承機制(PI)在線程被一個低優(yōu)先級線程所持有的資源阻塞時，低優(yōu)先級線程通過繼承被阻塞線程優(yōu)先級，盡快執(zhí)行并釋放所持資源而不被其他線程所搶占。

　　● 新型鎖機制帶來內(nèi)核性能提升

　　實時搶占補丁替換了大內(nèi)核鎖(BKL)，將BKL從spin lock改成是mutex，持有BKL的線程也可以被搶占，減少了內(nèi)核調(diào)度延遲。此外，實時搶占補丁通過mutex替代semaphore，避免了不必要的時間負載。實時搶占補丁實現(xiàn)了可搶占的RCU(Read- Copy Update)鎖和串行化讀寫鎖，保證了執(zhí)行可預(yù)測性，提高了性能。

　　● 中斷線程化

　　實時搶占補丁通過內(nèi)核線程來實現(xiàn)一些硬件中斷和軟件中斷的服務(wù)程序。體系結(jié)構(gòu)相關(guān)處理代碼設(shè)置IRQ狀態(tài)、檢查線程化的中斷是否使能，并喚醒相關(guān)線程。在中斷線程被調(diào)度執(zhí)行后，進行中斷服務(wù)處理。在實時搶占內(nèi)核中，用戶線程優(yōu)先級可以高于設(shè)備中斷服務(wù)線程。實時任務(wù)無需等待設(shè)備驅(qū)動處理程序執(zhí)行，減小了實時搶占延遲。

　　● 時鐘系統(tǒng)改進

　　實時搶占內(nèi)核的時鐘系統(tǒng)重新進行了設(shè)計，實現(xiàn)了高精度定時器。時鐘精度不再依賴jiffies，使POSIX定時器和nanosleep精度由具體硬件所能提供的精度決定，使得gettimeofday能夠提供實時系統(tǒng)所需的精確時間值。