嵌入式Linux操作系统实时性的分析与研究.pdf

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1、文章编号：1008-1402（2007）02-0231-03嵌入式 Linux 操作系统实时性的分析与研究吕静1，王英2（1.黑龙江农垦职业学院，黑龙江 哈尔滨 150025；2.黑龙江第二卫生学校，黑龙江 哈尔滨 150003）!摘要：通过分析嵌入式 Linux 在实时应用中的不足，从软中断模拟技术、可抢占式内核机制和实时调度策略等方面给出了改善系统实时性能的方法，同时提出了宏观调度结构，拓展了实时系统的应用范围.关键词：嵌入式操作系统；内核；进程；中断中图分类号：TP316.2文献标识码：A0引言Linux 本身为分时操作系统，其系统追求的目标是有较好的平均响应时间和较高的吞吐量，而实时系

2、统则主要考虑任务按时完成、尽量减少进程运行的不可预测性等.与商业嵌入式操作系统相比Linux 遵循 GPL，具有源代码开放、定制方便、支持广泛的计算机硬件等优点，所以，近年来嵌入式Linux 成为嵌入式系统方向上的一个研究热点.1实时系统的分类实时系统最重要的特点就是实时性，即系统的正确性不仅仅依赖于计算逻辑结果的正确性，还取决于输出结果时间的及时性.从这个角度看，实时系统是”一个能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部环境做出响应的系统”.按对实时性能要求的程度，实时系统可分为两类：硬实时系统：要求可确定性强，具有明确的实时约束，在某个限定的时刻之前不能完成任务将造成灾难性的后果.软实

3、时系统：也对时间敏感，但偶尔发生不能满足严格实时要求的情况也是允许的.2Linux 在实时方面存在的不足Linux 符合 POSIX1003.1b 关于实时扩展部分的标准，如：支持 SCHEDFIFO 和 SCHEDRR实时调度策略，锁内存机制，实时信号等功能，但是由于其最初的设计目标是通用分时操作系统，因此作为一个实时操作系统，Linux 仍然存在如下缺陷：Linux 的内核本身是非抢占的.Linux 下分用户态和核心态两种模式，当进程运行在用户态时，可被优先级更高的进程抢占，但当它进入核心态时，其他用户态进程优先级再高也不能抢占它.Linux 虽然给实时进程提供了较高的优先级，但是没有加入

4、时间限制.例如：完成的最后期限、应在多长时间内完成、执行周期等等.同时，其他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.时钟粒度粗糙.时钟管理是操作系统的脉搏，任务的执行和中止在很多情况下都是由时钟直接或间接唤起的，它还是进程调度的重要依据.Linux的周期模式定时器频率仅为 100HZ，远不能满足实时应用的要求.3改进内核实时性的分析与研究从中断软件模拟、可抢占式内核体系结构、实时任务的调度策略这三个方面对嵌入式 Linux 内核进行研究，并给出了相应提高实时性的方法.3.1响应时间的分析及解决方法任务的响应时间被定义为一个事件的发生和任务响应这一事件开始执行之间的

5、间隔时间，通常有以下几个因素影响任务的响应时间.中断分配时间 IDT：当一个中断产生时，在调用中断处理程序占用 CPU 以前，操作系统用来保!存所有寄存器中的内容和系统中其他关于这一任!收稿日期：2007-02-18作者简介：吕静（1972-），女，黑龙江佳木斯人，黑龙江农垦职业学院讲师，在读研究生.第 25 卷 第 2 期佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）VOI.25 NO.22007年 03 月JOurnaI Of Jiamusi University（NaturaI Science EditiOn）Mar.2007务状态的时间.中断服务时间 IST：中断服务程序用来从硬件设

6、备读取信息或从操作系统收集信息所用的时间.内核抢占时间 KPT：在操作系统意欲抢占当前进程与抢占实际上发生之间的时间间隔.调度延迟 SD：调度程序用来调度另一个线程投入运行的时间.进程切换时间 CST：当前线程用来保存寄存器和系统状态的时间与将要运行的线程恢复寄存器中内容和系统状态的时间总和.系统调用返回时间 RST：处于内核态的线程在它返回用户态之前检查一些状态所用的时间.图 l双内核结构以上这些时间中，SD，CST 和 RST 总是固定不变的，如果 Linux 内核设计得当的话，IDT，IST 和KPT 可以有效的减少.在实时应用的环境中，若干个中断同时发生的情况是完全可能存在的.这时任务

7、的响应时间最多将包含 N（IDT+IST），N 为中断数.中断软件模拟被用来解决多个中断同时发生的情形.当一个硬件中断发生时，系统只是简单的在时间表中报告这一时间的发生，然后立即将 CPU的控制权返回给操作系统，完全略过了查中断向量表并执行相应的中断服务程序.系统在 Linux 内核之前截获了所有应中断信号，并根据当前实时任务的需要，由软中断模拟机制处理或挂起该中断.采用这个方法，可以减少当多个中断同时发生时任务的响应时间，最长的延迟时间为 N!IST，其中 N为中断数.在这里之所以是 IST，而不是 IST，是因为采用软中断软件模拟的方法使得在 IST 时间段内只执行一些简单的操作.3.2抢

8、占式内核体系结构的设计为了解决 Linux 实现硬实时的最大障碍，使Linux 内核成为完全可被抢占的实时内核，典型的实现方案是双核结构.使用实时核来运行实时任务，Linux 内核来运行非实时任务.例如：对于实时数据采样分析而言，利用实时内核运行一个实时任务来完成数据采集，另一个实时任务完成数据分析和控制输出功能；同时利用 Linux 内核上运行的界面来进行数据显示.如图 l 所示.在 Linux 内核和硬件之间加个小的实时核，由它管理中断，提供一些必要的功能，如底层任务创建、中断服务程序，并且为底层任务、ISR 和 Linux进程之间进行通信排队；而 Linux 内核本身则成为优先级最低的

9、Idletask.对实时性要求强的应用编写成实时任务，在实时内核上直接运行.Linux 内核可以被优先级更高的实时任务抢占.对于 Linux 内核的修改主要集中在三方面：其一，在 Linux 内核中影响实时性的地方增加控制点，使内核在控制点可以被抢占，减少内核抢占延迟.其二，将执行时间较长的系统划分为几个甚至是十几个较小的块分别执行，使实时任务随时中断非实时任务.其三，根据实际需要，增加部分功能.图 2宏观调度结构3.3实时调度的算法研究常用的实时调度算法有：基于优先级的调度算法；基于时间驱动的调度算法；基于比例共享的调度算法.基于优先级的调度算法，调度器以优先级作为寻求下一个任务执行的依据.

10、可分为如下两种类型.静态优先级调度算法：该算法给系统中所有进程都静态的分配一个优先级.静态优先级的分配可根据应用的属性来进行，例如任务的周期、用户优先级或者其他预先确定的策略.动态优先级调度算法：这种算法根据任务的资源需求来动态的分配任务的优先级.EDF 算法是一种典型的动态优先级调度算法，该算法根据就绪队列中各个任务的截止期限来分配优先级，具有最近截止期限的任务优先级最高.基于时间驱动的调度算法，其本质上是一种设计时就确定下来的离线静态调度方法.在系统的设计阶段，在明确系统中所有处理的情况下，对于各个任务的开始、切换以及结束时间等事先做出明确的安排和设计.232佳 木 斯 大 学 学 报（自

11、 然 科 学 版）2007 年基于比例共享的调度算法，这是一种越来越受到关注的实时调度模式，基于 GPS 的算法，其基本思想就是按照一定的权重（CPU 使用的比例）对一组需要调度的任务进行调度，使其执行时间与权重完全成正比.可以通过两种方法来实现比例共享调度算法：（1）是调节各个就绪进程出现在当前调度队列队首的频率，并调度队首的进程执行；（2）是逐次调度就绪队列中的各个进程投入运行，但根据分配的权重调节分配给每个进程的运行时间片.比例共享算法包括轮转法、公平共享法、公平队列法和彩票调度法等几类.在这里我们提出了一种宏观调度结构，通过设计和构造多属性和多调度器的选择机制，使三种实时调度策略的应用

12、都得到支持，相对于只对单种调度策略提供支持的方案，拓展了系统的可使用范围.宏观调度结构如图 2 所示.4结论与展望Linux 虽然为分时操作系统，但由于其功能强大、源代码开放以及可移植性强等优势，已成为日益流行的嵌入式实时操作系统的解决方案.本文从软中断模拟技术、可抢占式内核和实时调度策略三个方面给出了改善系统实时性能的方法，并提出了通过采用宏观调度结构实现的混合调度，拓展了实时系统的应用范围.参考文献：1 徐宗元.操作系统 M.北京：高等教育出版社，2005.2 Maurice J.Bach.Unix 操作系统设计 M.北京：机械工业出版社，2005.3 吴非.嵌入式实时操作系统 UC/OS

13、-!与 Ecos 的比较 J.空军工程大学学报，2004.4 北京飞漫软件技术公司.MiniGui 用户手册 S.2003.Embedded Linux Real-time Analysis and ResearchLU Jing1，WANG Ying2（1.Heilongjiang Nongken Vocational College，Harbin 150025，China；2.The Second Healthy School of Heilongjiang Province，Harbin150003，China）Abstract：By anaiyzing the iimit of emb

14、edded Linux in reai-time appiications，reai-time scheduiing mecha-nism was presented to improve the performance of reai-time systems from soft interrupt simuiation technoiogy preemp-tive kernei.Meanwhiie，a macro-controi structure was put forward，and the scope of the appiication of reai-timesystems wa

15、s expanded.Key words：embedded operating system；kernei；process；!suspended（上接 230 页）参考文献：1 李芒庆.有线电视网络管理与数字电视的发展 J.科技情报开发与经济，2005，15（7）.2 陈如新.构建有线电视 GIS 系统 J.西部广播电视，2005，（11）.3Kiesiich，A.R.Impiementing GIS in Communications CompaniesA.GIS in Business 94.Conference Proceedings，1994，181-186.4 Gregory，Mic

16、haei.AM/FM/GIS/CAD and Enterprise Support Systems（ESS）for Teiecommunications A.IEEE AFRICON Conference，1996，2：782-787.5 威严，高福安.地理信息系统在有线电视网络管理中的应用J.北京广播学院学报，2003，（1）.6 张文君，熊卫东，等.基于 GIS 的有线电视网络管理系统设计J.测绘通报，2006，（8）.7 覃健，金丹，等.基于 MapObjects 的有线电视网络资源管理系统 J.科技资讯，2006，（8）.8 ESRI.Buiiding a GeoDatabase，EB

17、/OL and Research of CATV Network ResourceManagement System Based on GISZHANG Xue-wu，SHI Yi-shao（1.Department of Surveying and Land Information Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）Abstract：With the scaie expanding of community antenna teievision（CATV）network，the tradition network re-s

18、ource management becomes the hindrance to CATV further deveiopment.Each kind of faciiity eguipment of CATVnetwork has the attribution and spatiai information.Therefore，it is an ideai method to use GIS technoiogy in CATVnetwork resource management.This articie studied the main probiems countered freg

19、uentiy in the design of CATV net-work resource management system based GIS technoiogy，inciuding：system net strut，data organization and databasedesign，main functions and so on.At the same time the main technoiogy probiems were discussed and studied.Thecorresponding soiution was proposed.Key words：com

20、munity antenna teievision；GIS；system design；network resource 332第 2 期吕静，等：嵌入式 Linux 操作系统实时性的分析与研究嵌入式Linux操作系统实时性的分析与研究嵌入式Linux操作系统实时性的分析与研究作者：吕静，王英，LU Jing，WANG Ying作者单位：吕静,LU Jing(黑龙江农垦职业学院,黑龙江,哈尔滨,150025)，王英,WANG Ying(黑龙江第二卫生学校,黑龙江,哈尔滨,150003)刊名：佳木斯大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF JIAMUSI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：2007,25(2)参考文献(4条)参考文献(4条)1.吴非 嵌入式实时操作系统UC/OS-与Ecos的比较期刊论文-空军工程大学学报 2004(10)2.Maurice J Bach Unix操作系统设计 20053.徐宗元 操作系统 20054.北京飞漫软件技术公司 MiniGui用户手册 2003 本文链接：http:/