摘要：首先對Linux系統(tǒng)的實時機制作了分析，然后根據(jù)多媒體應(yīng)用的特點．通過改進Linux系統(tǒng)的實時性，構(gòu)建了面向多媒體應(yīng)用的嵌入式Linux系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實時性方面完全可以滿足多媒體應(yīng)用的需求。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)實時性Linux多媒體應(yīng)用
當(dāng)今信息社會，以多媒體為特征的信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用對人類社會產(chǎn)生的影響和作用愈來愈明顯，愈來愈重要。多媒體技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于多媒體軟件開發(fā)的水平。目前不管是支撐多媒體的系統(tǒng)軟件，還是應(yīng)用軟件，都在能力和數(shù)量上難以滿足多媒體飛速發(fā)展的需要。特別是多媒體系統(tǒng)軟件的缺乏，一直是制約多媒體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一。
Linux從1991年誕生之日起至今不過十來年，卻已發(fā)展成為一個功能強大、設(shè)計完善的操作系統(tǒng)。在嵌入式領(lǐng)域，Linux同樣獲得了飛速發(fā)展。Linux具有以下特點：
(1)Linux操作系統(tǒng)的開放源碼易于定制剪裁，在價格上有競爭力；
(2)Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核小、功能強大、運行穩(wěn)定、系統(tǒng)強壯、效率高；
(3)Linux操作系統(tǒng)不僅支持X86 CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片；
(4)Linux支持所有標(biāo)準(zhǔn)的因特網(wǎng)協(xié)議，幾乎所有的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接口都定制在其中。
因此，Linux系統(tǒng)是多媒體終端操作系統(tǒng)的首選。
1 通用Linux實時性分析及其在實時性方面的不足
雖然目前Linux內(nèi)核在實時性方面有所增強，但由于Linux系統(tǒng)本身是一個面向桌面的系統(tǒng)，所以將它應(yīng)用于多媒體終端時，在實時性方面仍存在一些問題。
1．1 通用Linux系統(tǒng)的調(diào)度策略
通用Linux系統(tǒng)支持實時和非實時兩種進程，實時進程相對于普通進程具有絕對的優(yōu)先級。對應(yīng)地，實時進程采用SCHED_FIFO或者SCHED_RR調(diào)度策略，普通的進程采用SCHED_OTTIER調(diào)度策略。
SCHED_OTHER調(diào)度策略本質(zhì)上是一種比例共享的調(diào)度策略，它的這種設(shè)計方法能夠保證進程調(diào)度時的公平性：一個低優(yōu)先級的進程在每一個epoch中也會得到自己應(yīng)得的那些CPU執(zhí)行時間，另外它也提拱了不同進程的優(yōu)先級區(qū)分，具有高priority值的進程能夠獲得更多的執(zhí)行時間。
對于實時進程來說，它們使用基于實時優(yōu)先級rt_pnonty的優(yōu)先級調(diào)度策略，但根據(jù)不同的調(diào)度策略，同一實時優(yōu)先級的進程之間的調(diào)度方法有所不同。
Linux調(diào)度時，要遍歷運行隊列，對隊列中的每一個進程計算goodness值，goodness最大的進程將被選中運行。根據(jù)調(diào)度策略的不同，進程的goodness值也要做不同的計算。普通進程的gooclness值是在該進程計數(shù)值counter基礎(chǔ)上略有浮動，其范圍是O～999。實時進程的goodness值是將該進程實時優(yōu)先級rt_priority加上1000。所以實時進程的goodness總是大于非實時進程，從而保證了實時進程的優(yōu)先調(diào)度權(quán)。函數(shù)goodness()如下：

從上面的Soodness()函數(shù)可以看出普通Linux內(nèi)核的進程調(diào)度算法只是軟實時的，并不是硬實時的。
1．2通用Linux實時性方面的缺陷
(1)Linux系統(tǒng)中的調(diào)度單位為lOms，所以它不能夠提供精確的定時；
(2)當(dāng)一個進程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核態(tài)運行時，它是不可被搶占的；
(3)Linux內(nèi)核實現(xiàn)使用了大量的封中斷操作會造成中斷的丟失；
(4)由于使用虛擬內(nèi)存技術(shù)，當(dāng)發(fā)生頁出錯時，需要從硬盤中讀取交換數(shù)據(jù)，但硬盤讀寫由于存儲位置的隨機性會導(dǎo)致隨機的讀寫時間，這在某些情況下會影響一些實時任務(wù)的截止期限；
(5)雖然Linu~進程調(diào)度也支持實時優(yōu)先級，但缺乏有效的實時任務(wù)調(diào)度機制和調(diào)度算法；其網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的協(xié)議處理和其他設(shè)備的中斷處理都沒有與它對應(yīng)的進程的調(diào)度關(guān)聯(lián)起來，并且其自身也沒有明確的調(diào)度機制。
2 面向多媒體應(yīng)用的Linux實時性改進
提高Linux的實時性一般有兩種方法：一種是對普通的Linux內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、調(diào)度函數(shù)、中斷方式等進行修改，使其能夠處理實時進程。另一種是在Linux內(nèi)核之外，進行實時性擴展。也就是在普通Linux的基礎(chǔ)之上再設(shè)計一個用于專門處理實時進程的內(nèi)核。為了提高Linux的實時性，并且使之能夠更好地滿足多媒體應(yīng)用系統(tǒng)的需求，本文采用第一種方法來提高系統(tǒng)的實時性。
2．1 提高系統(tǒng)所支持的時鐘精度
為了提高Linux系統(tǒng)的實時特性，必須提高系統(tǒng)所支持的時鐘精度。但如果僅僅簡單地提高時鐘頻率，會引起調(diào)度負(fù)載的增加，從而嚴(yán)重降低系統(tǒng)的性能。為了解決這個矛盾，本文將時鐘芯片設(shè)置為單次觸發(fā)狀態(tài)，即每次給時鐘芯片設(shè)置一個超時時間，然后到該超時事件發(fā)生時在時鐘中斷處理程序中再次根據(jù)需要給時鐘芯片設(shè)置一個超時時間。其基本思想是：一個精確的定時意味著時鐘中斷在一個比較精確的時間發(fā)生，但并非一定需要系統(tǒng)時鐘頻率達(dá)到此精度。它利用CPU的時鐘計數(shù)器來提供精度可達(dá)CPU主頻的時間精度。
2．2 可搶占式內(nèi)核設(shè)計
(1)搶占式內(nèi)核給task struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加一個數(shù)據(jù)項：preempt_count。該數(shù)據(jù)項由宏preempt_disable( )、pro-empt_enable()、以及preempt_enable_no_resched()所使用。preempt_disable對preempt_count計數(shù)進行遞增，preempt_
enable對preempt_count進行遞減。preempt_enable宏查看當(dāng)前進程的preempt_count和need_resched域的內(nèi)容，如果preempt_count為O并且need_resched為1，則調(diào)用pre-empt_schedule()函數(shù)。該函數(shù)將給當(dāng)前進程的preempt_count項增加一個很大的值，然后調(diào)用進程調(diào)度函數(shù)8chedule()，在scheduhj函數(shù)返回后從該進程preempt_count中再減去該值，從而實現(xiàn)內(nèi)核可搶占。
(2)修改schedule函數(shù)，使它檢測進程的preempt_co-unter是否很大(這是為了屏蔽一些普通調(diào)度流程中對于搶占式調(diào)度來說是冗余的那些操作)，然后執(zhí)行搶占式調(diào)度。同時修改spinlock的代碼。在spin_lock()和spin_try_lock中增加了對于preempt_disable的調(diào)用，在spin__un-lock()中增加了對于preempt_enable的調(diào)用。修改中斷返回的代碼，在其中增加了對于preempt_enable的調(diào)用。
由以上可看出內(nèi)核的搶占式調(diào)度發(fā)生在如下情況：在釋放spinlock時，或者當(dāng)中斷返回時，如果當(dāng)前執(zhí)行進程的need_resched被標(biāo)記，則進行搶占式調(diào)度。
2．3 實時任務(wù)調(diào)度的實現(xiàn)
在任務(wù)切換方面限制Linux不能進入RTOS行列的主要原因是：內(nèi)核無法及時進行進程調(diào)度，即任務(wù)調(diào)度器schedule()函數(shù)不能及時被執(zhí)行；當(dāng)中斷返回到內(nèi)核態(tài)時，Linux內(nèi)核禁止進行進程調(diào)度，只有中斷返回到用戶態(tài)時，Linux內(nèi)核才允許進行進程調(diào)度。針對這兩點，對Linux內(nèi)核的相關(guān)函數(shù)作如下修改：

這樣可以解決當(dāng)中斷返回到內(nèi)核態(tài)時，Linux內(nèi)核禁止進行進程調(diào)度，只有中斷返回到用戶態(tài)時，Linux內(nèi)核才允許進行進程調(diào)度的問題，從而增強了任務(wù)調(diào)度的實時性。
3 嵌入式Linux實時性能測試結(jié)果
測試工具：Linux Trace ToolKit-0．8
測試環(huán)境：Intel Celeron 1．2GHz CPU、256MB SDRAM，通用LJnux為Red Hat9．0，RT-Linnx為3．0版，Media-Linux即為本文實現(xiàn)的嵌入式Linnx。
測試結(jié)果如表l所示。