基于APIC時鐘的嵌入式Linux內核實時化研究

引言
嵌入式Linux是指對Linux進行剪裁后，將其固化在單片機或者存儲器中，應用于特定場合的專用Linux系統。嵌入式系統要求實時性能高，但Linux為分時系統設計的操作系統，盡管最新的內核在實時性能方面有所提高，但它仍然不是一個實時系統，在很多場合不能滿足實時性要求。一般地，通過改造Linux的內核以提高其實時性能有2種策略：一種是采用底層編程的方法對Linux內核進行修改(如調度算法、時鐘修改等)，典型的系統有Kansas大學開發的KURT。文獻提出了搶占式內核調度算法，容易引起內核優先級翻轉，文獻針對非搶占式內核，增加搶占點，該方法需要優秀的調度算法。另一種途徑是Linux的外部實時性擴展，在原有Linux基礎上再設計一個用于專門處理實時進程的內核，典型的系統有RTLinux、RTAI等。此方法的不足是RTLinux現在已經停止了更新，目前的開源版本僅支持2．4內核，RTAI的設計原理和RTLinux類似，也是一個實時性應用接口。本文采用APIC時鐘修改的方法對Linux內核進行實時化改造，修改APIC中斷函數，將APIC中斷和8254中斷排序，使得硬實時中斷的優先級大于普通8254中斷。通過多組仿真實驗，驗證了該改造方法是有效的。

1 嵌入式Linux的實時性分析
Linux設計的初衷是系統吞吐量的平衡，其內核試圖通過一種公平分配的策略來實現各進程平均地共享系統資源：
(1)內核的不可搶占性：Linux的內核在單處理器上不可搶占，當一個任務進入內核態運行時，一個具有更高優先級的進程，只有等待處于核心態的系統調用返回后方能執行，這將導致優先級逆轉。
(2)進程調度的不可搶占性：Linux作為一個分時系統，采用多級反饋輪轉調度算法，它保證了每一個進程都有一種調度策略，但是都放在同一個隊列中運行，這也是Linux作為實時操作系統的一個弱點。圖1是Linux調度機制框圖。
(3)時鐘中斷的精度不高：Linux 2．4．X內核的時鐘中斷周期為10 ms，時鐘粒度太過于粗糙，不能滿足實時性要求。
(4)Linux的虛擬存儲管理：Linux采用段和頁機制的虛擬存儲管理技術，進程在硬盤和內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應用于嵌入式系統，必須對其進行實時化改造，以適應嵌入式領域要求。

2 基于時鐘修改的內核改造方案
在單CPU系統中，與時間有關的活動都是由8254時鐘芯片來驅動的，8254產生0號中斷。直接修改內核定時參數HZ的初值就可構造細粒度定時器。這種方式實現起來很簡單，但是由此帶來頻繁的定時中斷使得系統的開銷很大，當然隨著硬件速度的提高，這種開銷會逐步降低。
簡單地修改赫茲參數HZ進行實時化的方法顯然并不可取。Linux 2．6內核的時鐘粒度是1 ms，但仍然與嵌入式領域的實時化要求差距較遠，因此需要更高精度的時鐘。目前常見的修改時鐘系統達到實時化的方法都是從軟件層面著手，這方面己獲得較大進展，但是從時鐘系統的硬件結構分析并開展實時化工作也是一個值得注意的方向。本文利用先進的APIC時鐘實現一個高精度時鐘系統，提供了高精度的中斷響應，從而以較少的改動獲得較高的實時性。
APIC以總線頻率工作，可立即執行所有的定時器操作，目前x86都有片內APIC，用戶可在單CPU內使用APIC。APIC除了能提供高精度的時鐘外還具有一個重要的優點，是由于它位于片內，對其編程只需幾個CPU指令周期，而對IntelX86的8254存取需要若干慢速的ISA總線指令。
在100MHz的CPU系統中，處理一個中斷的時間不到10μs，因此高速CPU完全可在更短的時間內處理更多的APIC中斷。理論上APIC可實現10 ns左右的系統時鐘，但實際上在處理中斷時要耗費一些時間，因此中斷的響應時間要大于10 ns。
APIC本身提供了中斷處理函數apic_timer_interrupt，該函數包括Irq_enter()，Run_realtimer_queue()和irq_exit()，其中函數irq_ exit通常負責判斷當前是否有8254產生的軟中斷存在，如果存在，就會觸發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行排序，使APIC硬中斷的優先級高于軟中斷，此時硬中斷線程得到優先處理，從而提高內核的實時性能。Irp_exit函數的核心代碼如下：