基于Linux的實時操作系統的研究

華東石油局物探研究院系統保障部 姜 岸

基于Linux的實時操作系統的研究

華東石油局物探研究院系統保障部 姜 岸

本文分析和研究了Linux系統在實時性方面存在的問題，并分析了實時系統的原理，以及提出了 實時Linux系統的系統結構和應用程序的結構。

Linux；實時操作系統；FIFO；實時應用程序

一、引言

隨著計算機性能的不斷提高，人們對計算機的數據處理能力提出了新的要求，比如在視頻數據處理，網絡數據處理等。因此，實時操作系統處理數據的效率成為當前計算機用戶關注的焦點。目前，比較流行的實時操作系統主要有兩大類：基于DOS的實時操作系統和基于UNIX操作系統。

基于DOS的實時操作系統是指在原有DOS的基礎上，提高其相應功能來實現實時操作系統的特性，但是，由于DOS系統存在單任務的缺陷，因而其只能適應于需求時間較小任務量較少的實時任務處理。

基于UNIX的操作系統是通過UNIX的分時系統設計實時操作系統，來達到實時操作系統的最優平均性能。因此，基于UNIX的實時操作成為當前主要的實時操作系統，但其存在價格昂貴和應用開發環境匱乏的缺陷。由于Linux操作系統是開放源代碼的類UNIX的操作系統，同時性能穩定，處理數據效率高，是一款性能高價格低廉的操作系統。

鑒于此，基于Linux的操作系統來開發一個高效性能的實時操作系統是可行的。

二、標準Linux系統在實時特性方面所存在的問題

實時操作系統的實時特性主要表現在以下幾方面：（1）運行期間和處理數據的高可靠性特性；（2）處理數據請求的及時特性；（3）完成數據請求和處理的時限保證特性，即實時操作系統必須保證在指定的數據請求的響應時間內或者數據處理時間內完成請求或者處理任務，具有此功能的操作系統也稱為硬實時操作系統；如果沒有在數據處理請求，或者數據處理時間期限內完成數據處理，即未能實現時限保證特性，此類實時操作系統也稱為軟實時操作系統。

實時操作系統的實時性主要體現在時限保證，因此，超出時限保證范圍的大小直接反映著實時操作系統的性能，即最壞情況。考慮到實時操作系統多方面的性能，所以，在設計Linux實時操作系統時，采用最優平均性能來衡量操作系統的實時性。

1.Linux的調度問題

Linux操作系統的調度問題主要是指進程調度。Linux操作系統的核心是不可競爭的，在規定的時間內對進程實現等級優先調度。一個等級較低的進程在調用系統核心進程時，則其會被操作系統掛起，只有當等級高的內核進程完成后，才能繼續執行，但是，在執行系統核心進程期間，其完成時間的不可預測性可能造成等待后續進程的持久掛起，進而不能滿足系統的實時性。

2.Linux的進程問題

Linux操作系統的進程問題主要包括進程的同步和進程的互斥問題。Linux操作系統的進行同步和進程互斥是通過信號量來實現的。在信號量的使用過程中，其存在信號量的加鎖操作和解鎖操作。由于信號量的頻繁加鎖和解鎖操作會造成一定量時間的損耗，同時影響操作系統的實時特性。鑒此，Linux操作系統采用了粗粒度策略，但是仍然存在信號的加鎖和解鎖的問題，其系統性能較差。

3.Linux內存鎖問題

與其他操作系統一樣，Linux操作系統在內存管理方面，同樣采用虛擬內存管理策略，即數據在處理過程中，進程會被系統換入內存和換出到虛擬內存中，頻繁的換入和換出操作會耗費大量的時間。同時，實時操作系統需要將一些主要的或者關鍵的進程始終運行在內存中，但Linux不能保證這種實時要求。

4.Linux的時間問題

Linux操作系統的時間問題包括時間精度問題和定時器問題。操作系統的時間精度的精度越高，則中斷處理就會越頻繁，進而造成耗費時間量大。另外，Linux的硬時間周期一般為100Hz，這就要求Linux的最高時間精度可以為100ms，導致某些實時響應無法在此時間精度內完成實時響應。

5.關中斷問題

Linux處理進程的互斥時，會保護臨界資源，同時會關掉中斷，但會造成優先級別高的進行長時間的阻塞，為了解決此問題，Linux開發者對其相關的實時性進行了擴充和增加，但最終只能保證一部分的軟件實現實時應用。

三、實時Linux操作系統

1.基本思想

圖1 實時Linux操作系統結構圖

圖2 實時Linux系統應用程序結構圖

實時Linux操作系統最早是由新墨西哥理工學院開發的。實時操作系統主要是在實時環境下進行數據的采集，數據處理等。為了實時的Linux操作系統，開發者研究和設計了可推行的實時內核，并將原來的Linux內核作為一個進程與用戶實時進程同時調度，同時將Linux核心進程的等級調到最低，以便于操作系統的實時進程進行資源推斷，以此來保證系統的實時特性。用戶或者開發者可以針對實時性的具體應用來開發或者編寫實時任務，可以采用先進先出的策略來調度實時任務進程和Linux系統核心進程，其實時Linux操作系統的系統結構如圖1所示。

2.原理與設計

（1）中斷模擬

針對關中斷的問題，實時Linux操作系統設計了一個軟件中斷模擬器，該中斷模擬器位于硬件中斷控制器與系統核心的中間。系統核心的中斷處理包括關中斷、開中斷和中斷返回。系統接收的全部硬件中斷都會被中斷模擬器接收并處理，當發生關中斷時，中斷模擬器進行軟件標志的清除操作；如果發生中斷，中斷模擬器則檢查軟標志是否已經被標志為中斷處理。中斷模擬過程：首先，通過開中斷開啟中斷，并設置中斷堆棧；再次，進行中斷處理；最后，通過中斷返回調用軟中斷進行返回。

（2）實時任務

用戶可以針對實際情況，設計和編寫自己需要的實時任務并被實時系統所調度。在早期的處理器中，如80X86，就采用了分頁存儲技術，有效地保護了各個相互獨立的實時任務，保證了運行過程中上下文切換時寄存器的修改。但是，在80486處理器中，由于采用了虛擬緩沖技術，造成實時任務的切換過于頻繁，導致系統實時性能下降。因此，為了解決此問題，實時Linux操作系統采用了線程的形式來運行實時任務，減少運行地址空間和上下文切換開銷。另外，實時Linux操作系統通過可加載核心模塊來實現實時任務的加載和卸載，相比之下，比CPU上的上下文切換開銷小，提升了實時Linux操作系統的實時性能。

（3）任務調度

任務調度主要是負責實時系統中各個實時任務能夠在規定的時限內完成數據處理。任務調度是通過實時調度器來實現的。大部分實時調度器都未能夠實現高效率的任務調度，開發者通過修改相關參數實現調度。實時Linux操作系統規定每個進程的優先級別，在調度過程中，根據進程的優先級別進行搶斷運行，級別高的進程優秀于級別低的進程運行，每過一個實時時間片，任務調度器都會執行一次新的任務調度。同時，實時Linux操作系統還有其他實時調度算法，如時限優先算法，即運行時間越短，越優先；最早時限優先算法等。

（4）時間精度

時間精度的誤差會直接影響實時系統的進程調度。如果偏差過大容易引起任務釋放抖動，將對實時任務構成影響。在一般的操作系統中，采用時間周期調度任務。在實時Linux操作系統中，對任務調度的周期進行了改善，根據當前的系統時間和當前運行的實時任務需求的時間來決定時鐘中斷周期，從而使實時系統在處理實時任務的效率方面有較高的提升。尤其是在80486芯片以上的計算機上，時間精度反映出來的實時速度和效率會更高、更快。

（5）通信機制

實時Linux系統在進程通信過程中采用先進先出策略，并且定義實時先進先出數據結構，以便于進程的建立、釋放、讀操作和寫操作，其中讀寫操作為原子操作，是不能被掛起的，能夠有效防止進程優先級的倒置問題。實時Linux系統在調度實時任務時，也可以根據UNIX修過過的任務調度機制Sysem V IPC來實現任務調度，比如先進先出管道，消息隊列等。

四、應用程序結構

實時Linux系統的應用程序在開發之前，實時應用程序開發者應當首先分析其運行環境，并把應用軟件分為兩部分：普通部分和實時部分。實時部分的設計要求簡單，且只負責實時任務處理；而普通部分負責數據處理。實時Linux系統的實時應用程序的典型的數據流如圖2所示。

五、總結

實時Linux系統是在原來普通操作系統的基礎上進行相應的改善，在獲得實時特性的同時，其還保留著對普通操作系統的兼容。針對普通操作系統存在的中斷、進程調度和通信等問題進行了針對性的分析，同時針對實時系統的實時性，提出了一些相應的解決辦法，并對實時應用軟件進行了結構分析。希望本文能夠對進一步研究如何保證實時系統的QOS，提供重要的參考。

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姜岸（1988—），女，江蘇南京人，大學?？?，主要研究方向：計算機linux。