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用Linux构造嵌入式实时应用系统(二)
来源:http://www.unix5.com 作者:riechelr_hl 发布时间:2007-07-02  

Linux-SRT也提高了系统的定时精度。但它并没有采用惯用的把时钟芯片置于单次触发模式的做法,而是简单地修改了Linux内核中HZ的定义,把Linux的时钟频率由每秒100次提高到了1024。

另外Linux-SRT在原有的Linux系统中的SCHED_OTHER、SCHED_FIFO、SCHED_RR这三个调度策略的基础上,给Linux增加了一些新的调度策略:SCHED_PAUSE、SCHED_IDLE、SCHED_QOS、SCHED_VAR;策略为SCHED_PAUSE的进程在调度时被调度程序忽略,不参与调度执行;使用SCHED_QOS调度策略的进程能够得到有保证的CPU执行时间;使用SCHED_IDLE策略的进程优先级最低,它被分配给那些只在系统空闲时才能够被调度执行的进程,比如一些批处理程序;SCHED_VAR是一个可变优先级的策略,它被用于解决由于临界资源访问时所产生的优先级倒置问题,即一个高优先级的任务等待低优先级任务占用的某种临界资源,但低优先级任务又得不到CPU处理时间所造成的死锁问题;这时通过该调度策略把低优先级任务的优先级置为等待资源的高优先级任务的优先级(优先级继承)来解决死锁问题。

对于使用SCHED_QOS调度策略的实时任务,采用RM静态优先级调度算法进行调度;另外在进行调度时,它还采用了一种双调度策略的方案,即当一个实时任务在当前的调度周期中用完自己所有的时间片之后,在下次调度周期到来之前,并非简单地不调度执行它,而是使用它进程属性中的Fallback policy所定义的调度策略来调度它,让它以该策略参与本轮的剩余时间的调度。

Linux-SRT按照POSIX推荐的方式扩展了传统的几个用户设置进程调度属性的系统调度,让用户或者编程人员可以在后向兼容的情况下使用这些新添加的调度特性。另外为了使用的方便,它还提出了reserve的概念,一个reserve在/proc文件系统中有一个结点,它包含有关资源分配的情况;reserve独立与进程,一个进程可以通过新增加的reserve相关的系统调用申请加入(使用)或退出一个reserve。

3.7. Hard-hat Linux

Hardhat Linux是MontaVista公司所发布的一款主要面向各种嵌入式应用的Linux发布[HardHatWeb][Morgan01]。Hard-hat Linux最大的贡献在于:为了解决Linux在内核态不可被抢占的问题,它开发了一种抢占式(Preemptible)的内核,有人认为它的这种方法充其量也就是一种能够被抢占(Preemptable)的内核。

其基本思想就是让调度程序获得更多的执行机会,从而减少了从一个事件发生到调度程序被执行的时间间隔。可抢占内核的补丁包修改了spinlock的宏定义以及中断返回处理代码,当当前进程可以被"安全"地抢占并且有一个等待处理的重新调度请求,系统就会调用调度程序进行进程调度。

那么什么情况下可以认为一个进程可以被"安全"地抢占?最早的Linux内核代码认为,一旦进入内核态执行,不管是由于陷入(trap)还是中断处理,当前执行进程都不会被切换,直到内核认为可以安全地进行重新调度为止。这种思想可以使得内核代码对一些数据结构进行操作时比较简单,即不需要使用互斥原语(比如旋转锁spinlock)进行数据的修改保护就可以安全地存取数据。但随着内核源代码的发展,不使用保护机制的内核数据访问代码越来越少,所以在抢占式内核中,认为如果内核不是在一个中断处理程序中,并且不再spinlock保护的代码中,就认为可以"安全"地进行进程切换。

抢占式内核对普通Linux内核作了如下的一些修改:

抢占式内核给task struct数据结构增加了一个数据项:preempt_count。该数据项由宏preempt_disable()、preempt_enable()、以及preempt_enable_no_resched()所使用。preempt_disable对preempt_count计数进行递增,preempt_enable对preempt_count进行递减。preempt_enable宏查看当前进程的preempt_count和need_resched域的内容,如果 preempt_count为0并且need_resched为1,则调用preempt_schedule()函数。该函数把给当前进程的preempt_count项增加一个很大的值(比如让preempt_counter=preempt_counter + 0x4000000),然后调用进程调度函数schedule(),在schedule函数返回后从该进程preempt_count中再减去该值。可抢占内核也修改了schedule函数,它检测进程的preempt_counter是否很大(这是为了屏蔽一些普通调度流程中对于抢占式调度来说是冗余的那些操作),然后执行抢占式调度。

抢占式内核补丁也修改了spinlock的代码。在spin_lock()和spin_try_lock中增加了对于preempt_disable的调用,在spin_unlock()中增加了对于preempt_enable的调用。

另外抢占式内核补丁还修改了中断返回的代码,在其中增加了对于preempt_enable的调用。

所以我们根据上面的三个修改可以看出,内核的抢占式调度发生在如下情况:在释放spinlock时,或者当中断返回时,如果当前执行进程的need_resched被标记,则进行抢占式调度。

3.8. SILK

SILK代表SCOUT In Linux Kernel,它是普林斯顿大学支持PATH调度的垂直结构操作系统SCOUT在Linux中的一个实现[SILKWeb][Bavier01]。它把SCOUT操作系统作为Linux的一个模块来实现。

SILK系统的主要目的就是为一些网络QoS提供支持,它支持对于网络包处理的显式的调度,并且这个调度是以PATH为单位进行的。PATH概念的新颖之处在于,不像传统的基于任务的调度方式,它从另外一个角度进行系统的资源调度,即以网络的数据流及其处理为单位进行调度。详细来说,一个PATH由一串当数据流流经系统时进行数据处理或者数据转换的代码模块组成,并且对应的数据流所消耗的资源也归该PATH。研究表明,PATH这种体系结构特别适用于有QoS要求的分布式多媒体系统以及软件路由设备中。下图对于什么是PATH作了一个图示,它说明了一个TCP PATH:

 


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