2 影響Linux實時性能的主要因素
在Linux系統(tǒng)中，響應中斷的過程如下：設備產(chǎn)生一個中斷、中斷處理函數(shù)開始執(zhí)行、喚醒任務并在運行隊列排隊、任務獲取CPU并開始執(zhí)行、任務執(zhí)行完畢。圖1為事件處理過程各個階段圖以及影響響應時間的因素（每個階段下面的字母A~J表示這個階段中影響響應時間的因素）：
由圖中可以分析出導致Linux系統(tǒng)不能滿足實時系統(tǒng)短的響應時間和確定的執(zhí)行行為的要求的主要因素有以下方面：
（1）Linux操作系統(tǒng)存在關中斷的機制。導致的結果是：如果低優(yōu)先級的進程由于進入臨界區(qū)或者為了盡快完成任務而關閉了中斷，那么即使有高優(yōu)先級實時進程的中斷發(fā)生系統(tǒng)也無法響應。這種情況在實時系統(tǒng)中是不允許發(fā)生的。
（2）Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核是禁止搶占的。一個進程一旦進入內(nèi)核，它將運行直到系統(tǒng)調(diào)用結束或進程被阻塞。這時候一個高優(yōu)先級的實時進程只能等待。這樣的設計是為了簡化任務調(diào)度，但對實時進程來說這樣的時間等待是不允許的。
（3）Linux使用的是基于優(yōu)先級的任務調(diào)度策略。這種調(diào)度策略不能保證實時任務按時完成。Linux雖然給實時進程提供了較高的優(yōu)先級，但是，并沒有加入時間限制。例如完成的最后期限、應在多長時間內(nèi)完成、執(zhí)行周期等等。例如，Linux的基于時間片的調(diào)度策略可能使得一個實時進程在一個時間片內(nèi)未完成，其優(yōu)先級將降低，從而可能造成到截止時間實時任務無法完成。
（4）其他方面
Linux利用交換空間讓進程運行在一個比實際內(nèi)存大的虛擬內(nèi)存空間中。當進程訪問的虛擬內(nèi)存的內(nèi)容在交換空間里時，Linux就要把在交換空間里的頁面交換到實際的內(nèi)存中，而這段時間是不可預測的，這造成了實時響應時間的不確定性；
在Linux中，高優(yōu)先級的進程不能搶占低優(yōu)先級進程的資源。即如果高優(yōu)先級的進程要使用低優(yōu)先級進程正在使用的資源時，它必須等待低優(yōu)先級的進程釋放資源，這樣容易產(chǎn)生優(yōu)先級倒置；
另外，Linux的周期模式定時器頻率僅為100Hz，遠不能滿足多種實時應用的要求。
Linux之所以有以上問題，是因為它最主要的設計原則是最大限度的利用各種資源，力求最公平的調(diào)度各個進程，以獲得最大的整體性能，這也正是通用操作系統(tǒng)的設計原則。
3 Linux關中斷機制
Linux內(nèi)核可以看成是一個不斷對請求進行響應的服務器，這些請求可能來自正在cpu上執(zhí)行的進程，也可能來自正在執(zhí)行中斷請求的外部設備。因此，內(nèi)核的各個部分并不是嚴格按照順序依次執(zhí)行的，而是采用交錯執(zhí)行的方式。內(nèi)核控制路徑是指內(nèi)核用來處理系統(tǒng)調(diào)用、異?；蛑袛嗨鶊?zhí)行的指令序列。在交錯執(zhí)行內(nèi)核控制路徑時，要避免可能帶來的數(shù)據(jù)混亂的危險，因此引入了臨界區(qū)的概念。臨界區(qū)是指一段代碼，在其他的內(nèi)核控制路徑能夠進入臨界區(qū)前，進入臨界區(qū)的每一內(nèi)核控制路徑都必須全部執(zhí)行完這段代碼。
另外，在Linux操作系統(tǒng)中，大部分外部中斷都是開啟的，中斷處理一般由設備驅(qū)動程序來完成。由于通用操作系統(tǒng)中的用戶進程一般都沒有實時性要求，而中斷處理程序直接跟硬件設備交互，可能有實時性要求，因此中斷處理程序的優(yōu)先級被設定為高于任何用戶進程。 但對于實時操作系統(tǒng)采用上述的中斷處理機制是不合適的。外部中斷是環(huán)境向?qū)崟r操作系統(tǒng)進行的輸入，它的頻度是與環(huán)境變化的速率相關的，而與實時操作系統(tǒng)無關。如果外部中斷產(chǎn)生的頻度不可預測，則一個實時任務在運行時被中斷處理程序阻塞的時間開銷也是不可預測的，從而使任務的實時性得不到保證。因此，Linux內(nèi)核的進程經(jīng)常關閉中斷以盡快完成自己的任務。但同時也引入了問題：如果低優(yōu)先級的進程關閉了中斷，那么即使有高優(yōu)先級實時進程的中斷發(fā)生系統(tǒng)也無法響應。這種情況在實時系統(tǒng)中也是不允許發(fā)生的。
4、RTLinux的雙內(nèi)核解決方案
4．1基本思想
針對Linux的關中斷機制，RTLinux提出了采用虛擬機技術模擬Linux關中斷的解決方法?；舅枷肴缦拢篖inux不直接與中斷控制硬件進行聯(lián)系，而是在二者之間加入了一個中斷控制硬件的仿真層，這個仿真層只提供實時服務，它使得Linux在不能禁止中斷的同時，還能對Linux內(nèi)核的同步需求提供支持。一旦中斷到來，就先由該仿真層處理，在仿真層完成了所有需要進行的實時處理后，才會交給Linux進行進一步的處理。如果Linux已經(jīng)進行了禁止中斷的操作，則仿真層只是將該中斷標記為處于掛起狀態(tài)。當Linux進行了允許中斷的操作后，仿真層就會將控制切換到處于掛起狀態(tài)的、具有最高優(yōu)先級中斷的中斷處理程序。
4．2工作原理
將Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核作為一個任務執(zhí)行在一個小的實時操作系統(tǒng)之上。事實上，Linux是這個實時操作系統(tǒng)的空閑的任務，它僅在沒有實時任務運行的情況下執(zhí)行。Linux作為一個任務本身不能禁止中斷。解決Linux禁止中斷的問題是通過在實時內(nèi)核中模擬Linux中斷例程完成的。當Linux內(nèi)核執(zhí)行cli()禁止中斷時，一個軟中斷標志被設置。當一個中斷發(fā)生時，實時內(nèi)核將捕獲中斷并根據(jù)這個標志和中斷掩碼來決定是否將該中斷交給Linux內(nèi)核處理。因此，雖然允許Linux禁止中斷，但中斷對實時內(nèi)核總是可見的。如果該中斷將引起一個實時任務的執(zhí)行，則實時內(nèi)核保存Linux的狀態(tài)并立即開始執(zhí)行實時任務。如果不是實時中斷，中斷就被掛起，之后查看Linux對該中斷的操作狀態(tài)，如果Linux沒有禁止此中斷，就將該中斷交給Linux，由Linux執(zhí)行相應的中斷處理函數(shù)。如果Linux禁止中斷，則在Linux重新開啟中斷時，實時內(nèi)核處理所有掛起的中斷交由Linux執(zhí)行相應的中斷處理函數(shù)。
4．3具體實現(xiàn)
對于軟中斷，RT-Linux在初始化模塊Init_module()中首先調(diào)用結構相關函數(shù)arch_takeover() 來覆蓋原來的關中斷相關的函數(shù)，主要有：使用rtl_soft_cli替換__cli；使用rtl_soft_sti替換__sti；使用rtl_soft_save_flags替換__save_flags_ptr；使用rtl_soft_restore_flags替換__restore_flags。
處理中斷時，使用rtl_intercept()來代替do_IRQ()，用來執(zhí)行與一個中斷相關的所有中斷服務例程。這里主要做的修改是將實時中斷與普通Linux中斷分開處理。
1）它首先調(diào)用函數(shù)rtl_irq_controller_get_irq(regs)判斷是否獲取到中斷，
2）如果獲取到中斷，并且是實時irq請求，就調(diào)用dispatch_rtl_handler執(zhí)行實時irq對應的中斷服務例程，然后，從中斷返回。
3）如果是非實時irq請求，就掛起irq請求G_PEND(irq)，設置掛起標志表明有掛起的irq請求G_SET(g_pend_since_sti)。
若Linux開啟了中斷，就解除irq掛起狀態(tài)G_UNPEND(irq)，調(diào)用函數(shù)dispatch_Linux_irq執(zhí)行該irq對應中斷服務程序，之后從中斷返回。
當實時進程與普通進程進行通信時使用實時FIFO技術。當insmod將rtl_FIFO.o驅(qū)動程序插入Linux內(nèi)核時，該驅(qū)動程序?qū)⒆约鹤詾镽TLinux的一部分，并成為Linux驅(qū)動程序。一旦插入Linux內(nèi)核，用戶空間進程和實時任務都可使用實時FIFO，如圖2所示。

任何硬實時任務都是在RTLinux的控制下運行的，該任務一般可執(zhí)行周期性任務、處理中斷并與I/O設備驅(qū)動程序通信，以采集或輸出模擬和數(shù)字信息。當實時任務需要告訴用戶進程有一個事件將發(fā)生時，它便將這一消息送給實時FIFO。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數(shù)據(jù)：從實時任務到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個FIFO。
下面說明實時FIFO的使用方法：
1）FIFO是在init_module()時調(diào)用rtf_create()創(chuàng)建的，在cleanup_module()中調(diào)用rtf_destroy()撤銷。
2）在創(chuàng)建FIFO時，可以調(diào)用rtf_create_handler()注冊該實時FIFO的處理程序。每次Linux進程讀或?qū)懺揊IFO時，rtl_FIFO驅(qū)動程序都要調(diào)用該處理程序。
3）對FIFO的寫入和讀出是通過函數(shù)rtf_put()和rtf_get()來實現(xiàn)的。任何讀出或?qū)懭雽崟r任務一側的操作都是非模塊操作，因此rtf_put()和rtf_get()都立即返回，而不管FIFO狀態(tài)是什么。
如上例數(shù)據(jù)采集，可以注冊一個FIFO。當有中斷表明數(shù)據(jù)到來時，該中斷服務例程可以調(diào)用rtf_put()將數(shù)據(jù)寫入FIFO，而Linux進程就可以使用rtf_get()從FIFO中讀出數(shù)據(jù)進行處理。
5、結束語
RTLinux的雙內(nèi)核解決方案還可以結合實時內(nèi)核與非實時OS內(nèi)核的綜合優(yōu)勢，實時進程與普通Linux進程之間使用實時FIFO傳遞信息。即可以提高實時系統(tǒng)的可用性，也可以節(jié)省計算資源，同時將實時系統(tǒng)的一部分任務劃分出來，降低了實時內(nèi)核需要處理的復雜度，提高了實時的計算效率。