基于Linux的实时操作系统的与研究.pdfVIP

基于Linux的实时操作系统的分析与研究 摘要:本文讨论了实时操作系统的现状及标准 Linux 作为实时应用的一些不足, 并从实现机制上分析了造成这些不足的原因 .在此基础上,深入分析了现有的实 时Linux操作系统的特性和设计实现原理 ,并对进一步的工作提出了展望 . 关键词: 实时操作系统;Linux; 任务调度; 中断模拟; 时间精度; 进程通信 1、引言 随着基于Intel微处理器芯片的兼容PC机性价比的不断提高 ,在实时应用领 域 ,兼容PC机及基于兼容PC机的工控机(如PC104)得到了越来越广泛的应用. 而实时系统的应用需求也发生了很大变化 ,现代的实时应用往往要求大容量的 数据处理能力 ,复杂的图形用户接口、网络支持等 .这就对实时操作系统提出了 更高的要求.现在流行的实时操作系统(RTOS)可分为两类:第一类以现有的操作 系统为基础 ,扩充了实时特性.基于DOS 的有Ctask ,pdos等,由于DOS 的单任 务和不可重入特性,这些系统只能满足简单的实时应用 .基于 UNIX 有 Digital UNIX 等 ,通过下文中对标准 Linux 的分析(同样适用于UNIX 系统)可以看出, 由于类 UNIX 分时操作系统的设计目标是取得最优的平均性能(average performance),因此这些系统只能适应有限的实时需求.第二类是专用的实时操作 系统,如 VxWorks 等,可满足广泛的实时系统的需求.但存在价格昂贵,应用开发 环境缺乏等缺点.Linux 操作系统是基于 PC 机的免费的类 UNIX 开放式操作系 统 ,并采用了源代码开放的发布策略.由于全世界各地的Linux 用户和开发者的 不断努力,Linux 已成长为高稳定性的,性能优异的操作系统,基于 Linux 开发一 个开放的、标准的、高效廉价的实时操作系统是完全可行的.本文首先分析了标 准Linux 作为实时操作系统所面临的问题,然后深入剖析了现有的实时Linux 系 统的特性和实现机理 ,最后对以后的工作提出了展望. 2、标准Linux作为实时应用所存在的问题 实时系统的特性主要有三点 :高可靠性、及时性和时限的保证性 (deadline guarantee).时限的保证性要求实时系统对外部事件的响应时间或实时任务的运 行周期满足时限要求. 如任务必须在时限内完成,否则会产生不可预料的后果, 这种实时系统称为硬实时系统(hard real-time system).若偶尔超过时限不会对实 时应用造成损害 ,则称为软实时系统 (soft real-time system),如视频会议系统, 偶尔的图象帧损失是可以接受的.与时限的保证性直接相关的是系统的最坏情况 参数,同UNIX一样, Linu 操作系统的设计目标是取得最优平均性能,因此有很 多方面无法满足实时系统的要求. 2.1进程调度问题 Linu 的核心是不可抢先的,采用基于固定时间片的可变优先级调度,当一个 低优先级的进程由于调用系统 API 而进入核心状态后 ,除非当前进程需要等待 资源释放而挂起,否则后来的高优先级的进程只能等待当前进程完成系统调用 , 而系统调用的完成时间有很大的不可预测性,这对一些要求高优先级进程立即抢 占CPU 的实时应用是不能满足要求的. 2.2进程同步与互斥问题 Linux 采用了信号灯的方法来保证进程的互斥与同步,由于频繁的信号加锁 及解锁操作会影响系统的整体性能 ,因此Linu 采用了粗粒度的策略,信号的加 锁及解锁会有较长间隔.因此系统的最坏情况下的性能较差,往往无法满足许多 硬实时应用的要求. 2.3内存上锁问题 Linu 采用了虚拟内存管理技术,进程运行所需的内存常常会被换入换出磁 盘,会非常耗时.实时应用有时需要把关键进程锁在内存中,不被换出,而标准的 Linu 无法满足这种要求. 2.4时间精度及定时器问题 操作系统必须对时间精度和时钟中断处理的时间开销进行折衷考虑 .时间精 度越高,意味着时钟中断越频繁,而花在中断处理上的时间越多.Linu 通过对硬 件时钟的编程产生周期为100Hz的时钟中断,因此任务调度的时间精度最高能达 到10ms,这无法满足一些对时间精度要求苛刻的实时应用. 2.5关中断问题 在系统调用中 ,为了保护临界区资源,Linux 会长时间关掉中断,这样会加大 中断延迟时间,阻塞高优先级的中断立即被处理.在实时应用中,这是一个十分严 重的问题.针对以上存在的问题,Linu 开发者遵循POSIX.1b 标准对Linu 进行 了实时扩充,