嵌入式Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性研究.pdf

1、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國防、工業(yè)自動(dòng)控制、通信等嵌入式領(lǐng)域。與通用的操作系統(tǒng)相比,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)事件進(jìn)行及時(shí)的處理,當(dāng)隨機(jī)事件發(fā)生時(shí)必須能夠在嚴(yán)格的時(shí)限內(nèi)做出響應(yīng),即使系統(tǒng)處于高負(fù)荷的情況也是如此,否則就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。Linux 2.6內(nèi)核在2003年底發(fā)布以來,已經(jīng)被證明是一個(gè)高效穩(wěn)定的內(nèi)核。相比2.4內(nèi)核,雖然2.6采用了一些新技術(shù)使得實(shí)時(shí)性有了很大提高,如可搶占式內(nèi)核、新的O(1)調(diào)度算法等,但是內(nèi)核中仍有大量的

2、不可搶占區(qū)域影響著系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。另外,2.6內(nèi)核采用的是基于優(yōu)先級(jí)搶占的O(1)調(diào)度器,而優(yōu)先級(jí)搶占必然會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)(Priority Inversion)問題,造成任務(wù)調(diào)度的不確定性,嚴(yán)重的影響著系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。因此,為了滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的苛刻要求,針對(duì)Linux 2.6內(nèi)核的實(shí)時(shí)優(yōu)化就成為迫切需要解決的問題。 本文在對(duì)Linux2.6內(nèi)核進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上,借鑒Ingo Molnar的實(shí)時(shí)改造思想,采用直接修改

3、內(nèi)核的方式,對(duì)Lintux2.6內(nèi)核進(jìn)行了修改。由于在Linux2.6內(nèi)核中大量地使用了自旋鎖spinlock,致使有大量的臨界區(qū)存在,它們將嚴(yán)重地影響著系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。將mutex互拆鎖引入到spinlock自旋鎖中使自旋鎖可搶占,巧妙地實(shí)現(xiàn)了新的鎖機(jī)制,提高了Linux2.6的實(shí)時(shí)性能。針對(duì)Linux 2.6內(nèi)核的中斷不可搶占引發(fā)的實(shí)時(shí)問題，采用中斷線程化的方法。中斷線程化之后,中斷將作為內(nèi)核線程運(yùn)行而且賦予不同的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí),實(shí)時(shí)任務(wù)

4、可以有比中斷線程更高的優(yōu)先級(jí),這樣,實(shí)時(shí)任務(wù)就可以作為最高優(yōu)先級(jí)的執(zhí)行單元來運(yùn)行,即使在嚴(yán)重負(fù)載下仍有實(shí)時(shí)性保證。針對(duì)Linux2.6的O(1)調(diào)度器所帶來的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題,為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,本文提出了用優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議和優(yōu)先級(jí)置頂協(xié)議兩種方法來解決,并具體分析了優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議在Linux2.6內(nèi)核上的實(shí)現(xiàn)方法。 最后,使用LMbench測(cè)試軟件對(duì)系統(tǒng)上下文切換時(shí)間進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明,改進(jìn)后的Linux2.6內(nèi)核在實(shí)時(shí)性能上較