嵌入式Linux實時技術改進與實現

（1）．No Forced Preemption (Server)，這種模式等同于沒有使能搶占選項的標準內核，主要適用于科學計算等服務器環境。

（2）．Voluntary Kernel Preemption (Desktop)，這種模式使能了自愿搶占，但仍然失效搶占內核選項，它通過增加搶占點縮減了搶占延遲，因此適用于一些需要較好的響應性的環境，如桌面環境，當然這種好的響應性是以犧牲一些吞吐率為代價的。

（3）．Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop)，這種模式既包含了自愿搶占，又使能了可搶占內核選項，因此有很好的響應延遲，實際上在一定程度上已經達到了軟實時性。它主要適用于桌面和一些嵌入式系統，但是吞吐率比模式2更低。

（4）．Complete Preemption (Real-Time)，這種模式使能了所有實時功能，因此完全能夠滿足軟實時需求，它適用于延遲要求為100微秒或稍低的實時系統。

實現實時是以犧牲系統的吞吐率為代價的，因此實時性越好，系統吞吐率就越低。

3、中斷線程化

中斷線程化是實現Linux實時性的一個重要步驟，在Linux標準內核中，中斷是最高優先級的執行單元，不管內核當時處理什么，只要有中斷事件，系統將立即響應該事件并執行相應的中斷處理代碼，除非當時中斷關閉。因此，如果系統有嚴重的網絡或I/O負載，中斷將非常頻繁，后發生的實時任務將很難有機會運行，也就是說，毫無實時性可言。中斷線程化之后，中斷將作為內核線程運行而且賦予不同的實時優先級，實時任務可以有比中斷線程更高的優先級，這樣，實時任務就可以作為最高優先級的執行單元來運行，即使在嚴重負載下仍有實時性保證。

中斷線程化的另一個重要原因是spinlock被mutex取代。中斷處理代碼中大量地使用了spinlock，當spinlock被mutex取代之后，中斷處理代碼就有可能因為得不到鎖而需要被掛到等待隊列上，但是只有可調度的進程才可以這么做，如果中斷處理代碼仍然使用原來的spinlock，則spinlock取代mutex的努力將大打折扣，因此為了滿足這一要求，中斷必須被線程化，包括IRQ和softirq。

中斷線程化的實現方法是：對于IRQ，在內核初始化階段init（該函數在內核源碼樹的文件init/main.c中定義）調用init_hardirqs（該函數在內核源碼樹的文件kernel/irq/manage.c中定義）來為每一個IRQ創建一個內核線程，IRQ號為0的中斷賦予實時優先級49，IRQ號為1的賦予實時優先級48，依次類推直到25，因此任何IRQ線程的最低實時優先級為25。原來的do_IRQ被分解成兩部分，架構相關的放在類似于arch/*/kernel/irq.c的文件中，名稱仍然為do_IRQ，而架構獨立的部分被放在IRQ子系統的位置kernel/irq/handle.c中，名稱為_do_IRQ。當發生中斷時，CPU將執行do_IRQ來處理相應的中斷，do_IRQ將做了必要的架構相關的處理后調用_do_IRQ。函數_do_IRQ將判斷該中斷是否已經被線程化（如果中斷描述符的狀態字段不包含SA_NODELAY標志說明中斷被線程化了），如果是將喚醒相應的處理線程，否則將直接調用handle_IRQ_event（在IRQ子系統位置的kernel/irq/handle.c文件中）來處理。對于已經線程化的情況，中斷處理線程被喚醒并開始運行后，將調用do_hardirq(在源碼樹的IRQ子系統位置的文件kernel/irq/manage.c中定義)來處理相應的中斷，該函數將判斷是否有中斷需要被處理（中斷描述符的狀態標志IRQ_INPROGRESS），如果有就調用handle_IRQ_event來處理。handle_IRQ_event將直接調用相應的中斷處理句柄來完成中斷處理。

如果某個中斷需要被實時處理，它可以用SA_NODELAY標志來聲明自己非線程化，例如：系統的時鐘中斷就是，因為它被用來維護系統時間以及定時器等，所以不應當被線程化。

static struct irqaction irq0=

{ timer_interrupt, SA_INTERRUPT | SA_NODELAY, CPU_MASK_NONE, timer, NULL, NULL};

這是在靜態聲明時指定不要線程化，也可以在調用request_irq時指定，如：

request_irq (HIGHWIRE_SMI_IRQ,highwire_smi_interrupt,SA_NODELAY, System Management Switch, NULL))

對于softirq，標準Linux內核已經使用內核線程的方式來處理，為了使其易于被搶占，改進實時性，具體的修改包括：把ksoftirqd的優先級設置為nice值為-10，即它的優先級高于普通的用戶態進程和內核態線程，但它不是實時線程，因此這樣一來softirq對實時性的影響將顯著減小。在處理軟中斷期間，搶占是使能的，這使得實時性更進一步地增強。在處理軟中斷的函數_do_softirq中，每次處理完一個待處理的軟中斷后，都將調用cond_resched_all()，這顯著地增加了調度點數，提高了整個系統的實時性。