Linux Realtime

何谓实时系统：

POSIX 1003.b 定义：系统能够在限定的响应时间内提供所需的服务

Donald Gillies 的定义： 计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，也取决于产生结果的时间快慢。

分类：

【hard realtime(HRT)】在不满足响应时限、响应不及时或反应过早的情况下都会导致灾难性的后果

【soft realtime(SRT)】在不满足响应时限时，系统性能退化，但并不会导致灾难性的后果

【best effort(BE)】工作速度没有特定限制，快一点更好些

实时指标：

】Response time

】Latency

】Deadline

其中

HRT对以上三者都有硬性要求，否则服务完全失效。如工业控制，航天航空，军事应用等。

SRT无法提供服务质量。如多媒体实时需求。

BE，如一些字处理器，PC的常规应用。

影响实时的因素：

硬件－－MPU的设计: Cache结构设计,上下文切换速度，异常处理，内嵌寄存器等。

软件－－OS设计理念：kernel的可抢占、重入性，硬件支持程度，实时调度算法。

Linux的缺陷－－Desktop,Server型OS,实时性有限。主要体现在：内核的可重入、可抢占性，系统时钟粒度，实时调度算法。

突破Linux缺陷的方法：

1】、增加kernel可抢占性

一般的kernel的不可抢占性使实时任务无法提供任务的调度权，可以通过修改源码，缩小禁止中断、内核加锁的范围。

2】、细化时钟粒度

一般的kernel无法提供高精度时钟，也即无法高精度分辨RT任务的到来，RTC可提供高精度。

3】、调度算法

一般的kernel是基于优先级的调度算法，无法满足HRT、QoS等的任务需求。可向调度器增加hook或改造调度器来改善。

实时调度算法概览：

三种模式：

TD－－time driven： 被静态精确计算过的运行时任务计时，适合小型嵌入式系统、自动控制、传感器领域等。

具有稳定、已知输入的简单系统，通常提供数据处理的预测性。其本身是一种设计时就确定下来的离线的静态调度算法。在系统的设计阶段，对于任务的开始、切换、结束都事先做好安排。

有良好的任务可预测性，但缺乏灵活性，会出现CPU空闲但却有任务需要执行的情况。

PD－－priority driven：静态优先级进程调度算法：静态分配给进程优先级，根据应用的属性进行。例如：任务周期，用户优先级，预先策略等等。RM(rate-monotonic)－－根据任务的执行周期长短来决定调度优先级，小周期任务具有较高优先级。

动态优先级进程调度算法：根据进程的资源需求动态分配进程的优先级。许多非实时系统采有此种算法，如短作业优先调度算法。实时算法中EDF(earliest deadline first)较普遍－－给就绪队列中的各任务的Deadline来分配优先级，Deadline最近的任务具有最高优先级。

基本可以说以上两类算法提供了硬实时调度。

SD－－shared driven：基于CPU使用比例的进程调度算法，让他们的执行时间和他们的权重成正比。方法有两种：(1)、调节任务队列在调度队列队首的频率，(2)、根据权重分配时间片，并逐次调度队列中的进程投入运行。

主要类别：轮转法、公平共享、公平队列、彩票调度法(Lottery)。

缺点：没有优先级之分，任务共享资源，系统处于过载状态时，所有任务都按比例变慢，所以一般采用一种动态调节进程权重的方法。

基础是GPS(general processor sharing)；算法有WFQ(weighted fair queueing);WF2Q;qlinux使用H-SFQ等。

适合实现资源预留，保障多媒体等软实时性能的算法模式，实现的前提要求系统提供某种静态优先级算法，以实现资源预留。

其一般内容包括：accounting, policing/enforcement,admission control。

linux上的实时多媒体性能

1】、linux－SRT (Cambridge Univ.)

采用高精度时钟，支持QoS，没有修改调度算法，通过在现行kernel中增加调度类来实现QoS(由于文档描述粗糙，可靠性收到怀疑)。

2】、Qlinux (Massachusetts Univ. 、Texas Univ. 、Ensim Corp.)

致力于支持高性能多媒体功能的linux，采用H-SFQ(hierachical start-time queueing)，提供CPU,network,disk的QoS服务。

3】、linux/RK(Carnegie-Mellon Univ.、Timesys Corp.)

致力于资源预留的linux实现，通过实现资源预留管理模块、在内核调度相关代码中插入hook，达到预留CPU，network资源，并且向系统特殊任务实现QoS的目的。

4】、KURT－linux(Kansas Univ.)

提供高精度时钟&一种特殊的实时任务保障体制(文档缺少)，提供的实时机制对多媒体性能没有什么特别。

5】、Red-linux(California Univ.)

整合了三种(TD、PD、SD)实时模式。

【注1】关于RTlinux/RTAI： 主要用于工控，但缺少学术价值，专利许可严密，最重要的是已经有理论支持(网上的adeos模型可以取代他)。

【注2】关于linux内核时间粒度：scheduling time slice的最大值为10ms; 时钟粒度主要取决于RTC。

对于arm来说，提供的high-res clock主要是通过RTC的高精度，而对于MIPS、PPC、x586这样的处理器还提供了基于总线仲裁的计数器，通常叫做TSC(timer stamp counter)来提高时钟精度。

就通常情况，时钟的频率是系统总线时钟频率的1/4。

【注3】关于抢占：抢占可以发生在任何进程的时间片内，而不必等到此进程时间片完成。

【注4】关于MontaVista Corp. : 开发了用于替换linux标准调度算法的算法，可以实现SRT ，提供high-res clock 。参见：

在MontaVista网站上有一个测试系统调用时间片的Demo，可以试试。

【注5】 the high-res timer Project :

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