实时性能
也许对于嵌入式应用程序来说最重要的是满足实时的要求。对于设计RTOS使得它们及时响应来满足实时的要求,并且测量RTOS的系统调用,已经做了相当大的努力加以实现,因此开发人员能够确定系统的性能满足于实时的要求。RTOS的调用在一定意义上是循环的,应用程序和由RTOS提供的中断是同步的。因此进行一个同步调用花费RTOS的时间是中断处理时间的一部分。
在2002年以前, Linux 的实时性比较差,而它的吞吐量特别是在网络方面比较好。然而那是吞吐量而不是实时性。原因是基本的Linux内核和unix应用框架。这些系统被设计成在应用程序开销的时候,内核执行它所需要的。其原因就是如果开发人员知道内核不会被一个异常中断抢占,内核的代码就更容易编写。
虽然这种方法被广泛使用于unix和早期的Linux中,但是近来有一个下降的趋势。它使得运行在多处理器体系的系统变得效率很低。同一时刻,非抢占式Linux使得Linux达到实时的标准变得困难,因为即使一个中断发生并且中断事件被调度运行,内核还会完成当前的任务。为了解决在多处理器系统的运行效率问题,Linux内核的开发人员开始侵入Linux内核的内部区域让它非抢占区域变得更小,以至于更多的内核区域在多处理器系统上能够并行的执行并且完成的更好。
那些对于改善Linux实时性有兴趣的人使用抢占的Linux内核来加速本地的实时响应。延迟减小到几百微秒到1毫秒之间。更多的性能提高包括缩短非抢占区域来减小那些区域带来的任何延迟。
自2002年以来,Linux已经支持实时应用程序。从那时起,Linux开发人员开始加强它的实时性能,标准Linux的实时性能在不断的提高。现在Linux的实时性能相当于大多数特有的实时内核。最近出现了对于Linux实时能力的重要推进,消耗CPU时间的同步机制的自旋锁被继承优先级互斥这种更可靠的同步机制替代了。互斥机制保证了cpu时间总是尽可能的分配给优先级最高的应用程序,从而更缩短了从中断到实时应用程序的过程。
最后一个主要的实时Linux的改进是将中断处理作为一个应用程序的标准来执行。以前Linux的设计赋予中断处理比任何其他应用程序更高的优先级。通过把中断处理作为一个普通的应用程序处理,一旦优先级更高的应用程序可以抢占比它优先级低的中断处理程序。
现在这些改变已经完成,性能和稳定性的改进使得Linux上的应用和以前基于传统的 实时操作系统 拥有一样的快速和稳定。
迈步向前
现在开发者正在放弃第一代实时操作系统,选择更稳定的一个开放式的嵌入式平台比如像Linux。 移植 这些传统的系统代表着挑战同时又提供了非常丰厚的投资回报。真正的风险不是放弃熟悉的环境,工具和API,而是当嵌入式系统开发不断前进时候,它却停滞不前。
遵循这篇文章概括的步骤和RTOS的移植技术, 开发人员可以通过最少的时间和精力成功地移植以前的RTOS的代码到一个现代化的Linux平台上来。
Jim Ready是montavista的创始人和CTO, 拥有25以上的技术和丰富的经验, Jim被认为是在嵌入式系统和实时软件工程里的权威。做为Ready System的合伙创始人,他倡导VRTX实时内核的开发,VRTX是第一个用于商业用途的RTOS产品。在Ready System和MICrotec Research合并期间,Jim在Microtec/Mentor Graphics任职Ready System的董事长兼CTO,Microtec Research后来被Mentor Graphics收购了。他在1999创建了montavista 软件公司,提供Linux系统到嵌入式系统市场并且给开源的Linux社区提供了嵌入式系统的专业技术。Jim分别在伊利诺斯大学,加利福尼亚大学获得了学士和硕士学位。