引言

　　嵌入式 Linux是以Linux為基礎(chǔ)的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，它被廣泛應(yīng)用在移動電話、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、媒體播放器、消費(fèi)性電子產(chǎn)品以及航空航天等領(lǐng)域中……

　　嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于60年代晚期，它初被用于控制機(jī)電電話交換機(jī)，如今已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)制造、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CPU，每年在范圍內(nèi)的產(chǎn)量大概在二十億顆左右，其中超過80％應(yīng)用于各類專用性很強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)。一般的說，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。

　　本文采用APIC時(shí)鐘修改的方法對Linux內(nèi)核進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，修改APIC中斷函數(shù)，將APIC中斷和8254中斷排序，使得硬實(shí)時(shí)中斷的優(yōu)先級大于普通8254中斷。通過多組仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該改造方法是有效的。

　　1 嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性分析

　　Linux設(shè)計(jì)的初衷是系統(tǒng)吞吐量的平衡，其內(nèi)核試圖通過一種公平分配的策略來實(shí)現(xiàn)各進(jìn)程平均地共享系統(tǒng)資源：

　?。?）內(nèi)核的不可搶占性：Linux的內(nèi)核在單處理器上不可搶占，當(dāng)一個(gè)任務(wù)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)具有更高優(yōu)先級的進(jìn)程，只有等待處于態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用返回后方能執(zhí)行，這將導(dǎo)致優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。

　?。?）進(jìn)程調(diào)度的不可搶占性：Linux作為一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)，采用多級反饋輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，它保證了每一個(gè)進(jìn)程都有一種調(diào)度策略，但是都放在同一個(gè)隊(duì)列中運(yùn)行，這也是Linux作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)弱點(diǎn)。圖1是Linux調(diào)度機(jī)制框圖。

　?。?）時(shí)鐘中斷的不高：Linux 2.4.X內(nèi)核的時(shí)鐘中斷周期為10 ms，時(shí)鐘粒度太過于粗糙，不能滿足實(shí)時(shí)性要求。

　?。?）Linux的虛擬存儲管理：Linux采用段和頁機(jī)制的虛擬存儲管理技術(shù)，進(jìn)程在硬盤和內(nèi)存間的換入換出必然帶來額外的開銷，造成很大的延遲。

　　由此可見，要將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，必須對其進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域要求。

　　2 嵌入式Linux系統(tǒng)特點(diǎn)應(yīng)用

　　就是利用Linux其自身的許多特點(diǎn)，把它應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)里。

　　Linux做嵌入式的優(yōu)勢，首先，Linux是開放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持；其次，Linux的內(nèi)核小、效率高，內(nèi)核的更新速度很快，linux是可以定制的，其系統(tǒng)內(nèi)核只有約134KB。第三，Linux是的OS，在價(jià)格上極具競爭力。 Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺，是一個(gè)跨平臺的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種CPU。而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。很多CPU包括家電業(yè)芯片，都開始做Linux的平臺移植工作。移植的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Java的開發(fā)環(huán)境。也就是說，如果今天用Linux環(huán)境開發(fā)產(chǎn)品，那么將來換CPU就不會遇到困擾。同時(shí)，Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，Linux對網(wǎng)絡(luò)中常用的TCP/IP協(xié)議有完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無線網(wǎng)絡(luò)，Toker ring（令牌環(huán)網(wǎng)）、光纖甚至衛(wèi)星的支持。所以Linux很適于做信息家電的開發(fā)。

　　還有使用Linux為的是來開發(fā)無線連接產(chǎn)品的開發(fā)者越來越多。Linux在快速增長的無線連接應(yīng)用主場中有一個(gè)非常重要的優(yōu)勢，就是有足夠快的開發(fā)速度。這是因?yàn)長Inux有很多工具，并且Linux為眾多程序員所熟悉。因此，我們要在嵌入式系統(tǒng)中使用Linux操作系統(tǒng)。

　　3 基于時(shí)鐘修改的內(nèi)核改造方案

　　在單CPU系統(tǒng)中，與時(shí)間有關(guān)的活動都是由8254時(shí)鐘芯片來驅(qū)動的，8254產(chǎn)生0號中斷。直接修改內(nèi)核定時(shí)參數(shù)HZ的初值就可構(gòu)造細(xì)粒度定時(shí)器。這種方式實(shí)現(xiàn)起來很簡單，但是由此帶來頻繁的定時(shí)中斷使得系統(tǒng)的開銷很大，當(dāng)然隨著硬件速度的提高，這種開銷會逐步降低。

　　Linux是的自由電腦操作系統(tǒng)內(nèi)核。它是一個(gè)用C語言和匯編語言寫成，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的類Unix操作系統(tǒng)。Linux早是由芬蘭黑客林納斯。托瓦茲（Linus B. Torvalds）為嘗試在英特爾x86架構(gòu)上提供自由的類Unix操作系統(tǒng)而開發(fā)的。該計(jì)劃開始于1991年，林納斯·托瓦茲當(dāng)時(shí)在Usenet新聞組comp.os.minix登載帖子，這份著名的帖子標(biāo)示著Linux計(jì)劃的正式開始。

　　簡單地修改赫茲參數(shù)HZ進(jìn)行實(shí)時(shí)化的方法顯然并不可取。Linux 2.6內(nèi)核的時(shí)鐘粒度是1 ms，但仍然與嵌入式領(lǐng)域的實(shí)時(shí)化要求差距較遠(yuǎn)，因此需要更高的時(shí)鐘。本文利用先進(jìn)的APIC時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)一個(gè)高時(shí)鐘系統(tǒng)，提供了高的中斷響應(yīng)，從而以較少的改動獲得較高的實(shí)時(shí)性。

　　APIC 是裝置的擴(kuò)充組合用來驅(qū)動 Interrupt 控制器。在目前的建置中，系統(tǒng)的每一個(gè)部份都是經(jīng)由 APIC Bus 連接的。"本機(jī) APIC" 為系統(tǒng)的一部份，負(fù)責(zé)傳遞 Interrupt 至指定的處理器；舉例來說，當(dāng)一臺機(jī)器上有三個(gè)處理器則它必須相對的要有三個(gè)本機(jī) APIC。自 1994 年的 Pentium P54c 開始Intel 已經(jīng)將本機(jī) APIC 建置在它們的處理器中。實(shí)際建置了 Intel 處理器的電腦就已經(jīng)包含了 APIC 系統(tǒng)的部份。

　　系統(tǒng)中另一個(gè)重要的部份為 I/O APIC。系統(tǒng)中多可擁有 8 個(gè) I/O APIC。它們會收集來自 I/O 裝置的 Interrupt 訊號且在當(dāng)那些裝置需要 interrupt 時(shí)傳送訊息至本機(jī) APIC。每個(gè) I/O APIC 有一個(gè)專有的 interrupt 輸入 （或 IRQ） 號碼。Intel 過去與目前的 I/O APIC 通常有 24 個(gè)輸入 -- 其它的可能有多逹 64 個(gè)。而且有些機(jī)器擁有數(shù)個(gè) I/O APIC，每一個(gè)分別有自己的輸入號碼，加起來一臺機(jī)器上會有上百個(gè) IRQ 可供裝置 Interrupt 使用。

　　APIC本身提供了中斷處理函數(shù)apic_timer_interrupt，該函數(shù)包括Irq_enter（），Run_realtimer_queue（）和irq_exit（），其中函數(shù)irq_ exit通常負(fù)責(zé)判斷當(dāng)前是否有8254產(chǎn)生的軟中斷存在，如果存在，就會觸發(fā)8254軟中斷，這樣會造成APIC硬中斷處理延遲。本文的思路就是修改irq_exit，在其中將各軟中斷線程和硬中斷線程進(jìn)行排序，使APIC硬中斷的優(yōu)先級高于軟中斷，此時(shí)硬中斷線程得到優(yōu)先處理，從而提高內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能。Irp_exit函數(shù)的代碼如下：

　　上面調(diào)用invoke_softirq（）函數(shù)執(zhí)行軟中斷使本文修改的重點(diǎn)，修改中斷向量表，對向量表中所有軟中斷和實(shí)時(shí)中斷進(jìn)行排序，提前硬中斷的時(shí)間片，這樣使當(dāng)前處于pending狀態(tài)的軟中斷被屏蔽和懸掛，直到硬中斷處理完成為止。將invoke_softirq（）函數(shù)修改為：

　　每個(gè)處理器時(shí)間片上能夠處理的中斷只有一個(gè)，通過更新當(dāng)前任務(wù)時(shí)間片，使硬中斷在時(shí)間獲得CPU的響應(yīng)，此時(shí)軟中斷將被屏蔽，這就保證了硬中斷能夠得到實(shí)時(shí)的響應(yīng)。

　　由于Linux采用8254完成時(shí)序分配，8254需要保留以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這樣的話，8254定時(shí)器和APIC必須共存，對于硬實(shí)時(shí)應(yīng)用，可采用APIC時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)。在8254中斷過程中，如果產(chǎn)生APIC中斷，采用通過本文的方琺必須對優(yōu)先對APIC時(shí)鐘進(jìn)行響應(yīng)，會出現(xiàn)8254中斷被搶占，此時(shí)上下文切換等操作可能導(dǎo)致不可預(yù)料的錯(cuò)誤。解決問題的方法可采取在APIC相應(yīng)中斷期間，關(guān)閉軟中斷，只有當(dāng)APIC中斷執(zhí)行完畢后，8254軟中斷才能夠被響應(yīng)。

　　4 實(shí)時(shí)性能測試與分析

　　實(shí)驗(yàn)條件1：CPU：PⅢ300 MHz，內(nèi)存為128 MB，硬盤為5 400轉(zhuǎn)的15 GB臺式機(jī)硬盤，操作系統(tǒng)為Fedora2.6.18內(nèi)核。環(huán)境一（vd-d1）采用原版內(nèi)核，環(huán)境二（vd-d2）采用改進(jìn)型內(nèi)核。測試方法為通過測試內(nèi)核的上、下文切換、內(nèi)存延遲及模擬外部中斷來評價(jià)改造前后的性能。統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果，如圖2、圖3所示。

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在上、下文切換中I/0讀/寫和文件打開和關(guān)閉，改進(jìn)型內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能都有明顯提高，模擬TCP通道子項(xiàng)，改進(jìn)型內(nèi)核性能提高了約6倍，但在對中斷響應(yīng)要求不是很高的null call測試中，隨著處理器負(fù)荷的進(jìn)一步加重，原始內(nèi)核的內(nèi)存延遲急劇增加。在差情況下，系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，延遲時(shí)間達(dá)到5μs。而改進(jìn)型內(nèi)核在處理器負(fù)荷變化時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變化不明顯，而且中斷響應(yīng)速度始終穩(wěn)定在2μs以下，性能穩(wěn)定。

　　實(shí)驗(yàn)條件2：采用改進(jìn)型內(nèi)核，環(huán)境一（vd-d2）CPU：PIII 300 MHz，環(huán)境二（vd-d3）CPU降頻為200 MHz（接近ARM9）。統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果，獲得它們的文件系統(tǒng)延遲結(jié)果見圖4。圖4反映了同樣采用改進(jìn)型內(nèi)核，將CPU降頻前后，測試結(jié)果差距在10μs以內(nèi)，可看出在文件系統(tǒng)延遲中，處理器頻率的較小差距對內(nèi)核的影響不大。如采用高主頻的處理器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距較大。

　　5 結(jié)語

　　本文通過修改APIC時(shí)鐘，可顯著地改進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，通過對比試驗(yàn)可看出改進(jìn)型內(nèi)核具有良好的實(shí)時(shí)性能，滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求。本文方法使得嵌入式Linux系統(tǒng)在高實(shí)時(shí)性領(lǐng)域中得到實(shí)際的應(yīng)用。