摘要：首先對(duì)Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)機(jī)制作了分析，然后根據(jù)多媒體應(yīng)用的特點(diǎn)．通過(guò)改進(jìn)Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，構(gòu)建了面向多媒體應(yīng)用的嵌入式Linux系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性方面完全可以滿(mǎn)足多媒體應(yīng)用的需求。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性Linux多媒體應(yīng)用
當(dāng)今信息社會(huì)，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(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生的影響和作用愈來(lái)愈明顯，愈來(lái)愈重要。多媒體技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴(lài)于多媒體軟件開(kāi)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(mǎn)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(wèn)題之一。
Linux從1991年誕生之日起至今不過(guò)十來(lái)年，卻已發(fā)展成為一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)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(diǎn)：
(1)Linux操作系統(tǒng)的開(kāi)放源碼易于定制剪裁，在價(jià)格上有競(jìng)爭(zhēng)力；
(2)Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核小、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)強(qiáng)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(shí)時(shí)性分析及其在實(shí)時(shí)性方面的不足
雖然目前Linux內(nèi)核在實(shí)時(shí)性方面有所增強(qiáng)，但由于Linux系統(tǒng)本身是一個(gè)面向桌面的系統(tǒng)，所以將它應(yīng)用于多媒體終端時(shí)，在實(shí)時(shí)性方面仍存在一些問(wèn)題。
1．1 通用Linux系統(tǒng)的調(diào)度策略
通用Linux系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種進(jìn)程，實(shí)時(shí)進(jìn)程相對(duì)于普通進(jìn)程具有絕對(duì)的優(yōu)先級(jí)。對(duì)應(yīng)地，實(shí)時(shí)進(jìn)程采用SCHED_FIFO或者SCHED_RR調(diào)度策略，普通的進(jìn)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(jì)方法能夠保證進(jìn)程調(diào)度時(shí)的公平性：一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程在每一個(gè)epoch中也會(huì)得到自己應(yīng)得的那些CPU執(zhí)行時(shí)間，另外它也提拱了不同進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)區(qū)分，具有高priority值的進(jìn)程能夠獲得更多的執(zhí)行時(shí)間。
對(duì)于實(shí)時(shí)進(jìn)程來(lái)說(shuō)，它們使用基于實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)rt_pnonty的優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略，但根據(jù)不同的調(diào)度策略，同一實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程之間的調(diào)度方法有所不同。
Linux調(diào)度時(shí)，要遍歷運(yùn)行隊(duì)列，對(duì)隊(duì)列中的每一個(gè)進(jìn)程計(jì)算goodness值，goodness最大的進(jìn)程將被選中運(yùn)行。根據(jù)調(diào)度策略的不同，進(jìn)程的goodness值也要做不同的計(jì)算。普通進(jìn)程的gooclness值是在該進(jìn)程計(jì)數(shù)值counter基礎(chǔ)上略有浮動(dòng)，其范圍是O～999。實(shí)時(shí)進(jìn)程的goodness值是將該進(jìn)程實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)rt_priority加上1000。所以實(shí)時(shí)進(jìn)程的goodness總是大于非實(shí)時(shí)進(jìn)程，從而保證了實(shí)時(shí)進(jìn)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(jìn)程調(diào)度算法只是軟實(shí)時(shí)的，并不是硬實(shí)時(shí)的。
1．2通用Linux實(shí)時(shí)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(shí)；
(2)當(dāng)一個(gè)進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，它是不可被搶占的；
(3)Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)使用了大量的封中斷操作會(huì)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(yè)出錯(cuò)時(shí)，需要從硬盤(pán)中讀取交換數(shù)據(jù)，但硬盤(pán)讀寫(xiě)由于存儲(chǔ)位置的隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)的讀寫(xiě)時(shí)間，這在某些情況下會(huì)影響一些實(shí)時(shí)任務(wù)的截止期限；
(5)雖然Linu~進(jìn)程調(diào)度也支持實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)，但缺乏有效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)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(méi)有與它對(duì)應(yīng)的進(jìn)程的調(diào)度關(guān)聯(lián)起來(lái)，并且其自身也沒(méi)有明確的調(diào)度機(jī)制。
2 面向多媒體應(yīng)用的Linux實(shí)時(shí)性改進(jìn)
提高Linux的實(shí)時(shí)性一般有兩種方法：一種是對(duì)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(jìn)行修改，使其能夠處理實(shí)時(shí)進(jìn)程。另一種是在Linux內(nèi)核之外，進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴(kuò)展。也就是在普通Linux的基礎(chǔ)之上再設(shè)計(jì)一個(gè)用于專(zhuān)門(mén)處理實(shí)時(shí)進(jìn)程的內(nèi)核。為了提高Linux的實(shí)時(shí)性，并且使之能夠更好地滿(mǎn)足多媒體應(yīng)用系統(tǒng)的需求，本文采用第一種方法來(lái)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
2．1 提高系統(tǒng)所支持的時(shí)鐘精度
為了提高Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性，必須提高系統(tǒng)所支持的時(shí)鐘精度。但如果僅僅簡(jiǎn)單地提高時(shí)鐘頻率，會(huì)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(gè)矛盾，本文將時(shí)鐘芯片設(shè)置為單次觸發(fā)狀態(tài)，即每次給時(shí)鐘芯片設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間，然后到該超時(shí)事件發(fā)生時(shí)在時(shí)鐘中斷處理程序中再次根據(jù)需要給時(shí)鐘芯片設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間。其基本思想是：一個(gè)精確的定時(shí)意味著時(shí)鐘中斷在一個(gè)比較精確的時(shí)間發(fā)生，但并非一定需要系統(tǒng)時(shí)鐘頻率達(dá)到此精度。它利用CPU的時(shí)鐘計(jì)數(shù)器來(lái)提供精度可達(dá)CPU主頻的時(shí)間精度。
2．2 可搶占式內(nèi)核設(shè)計(jì)
(1)搶占式內(nèi)核給task struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)：preempt_count。該數(shù)據(jù)項(xiàng)由宏preempt_disable( )、pro-empt_enable()、以及preempt_enable_no_resched()所使用。preempt_disable對(duì)preempt_count計(jì)數(shù)進(jìn)行遞增，preempt_
enable對(duì)preempt_count進(jìn)行遞減。preempt_enable宏查看當(dāng)前進(jìn)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(jìn)程的preempt_count項(xiàng)增加一個(gè)很大的值，然后調(diào)用進(jìn)程調(diào)度函數(shù)8chedule()，在scheduhj函數(shù)返回后從該進(jìn)程preempt_count中再減去該值，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)核可搶占。
(2)修改schedule函數(shù)，使它檢測(cè)進(jìn)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(duì)于搶占式調(diào)度來(lái)說(shuō)是冗余的那些操作)，然后執(zhí)行搶占式調(diào)度。同時(shí)修改spinlock的代碼。在spin_lock()和spin_try_lock中增加了對(duì)于preempt_disable的調(diào)用，在spin__un-lock()中增加了對(duì)于preempt_enable的調(diào)用。修改中斷返回的代碼，在其中增加了對(duì)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(shí)，或者當(dāng)中斷返回時(shí)，如果當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程的need_resched被標(biāo)記，則進(jìn)行搶占式調(diào)度。
2．3 實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)
在任務(wù)切換方面限制Linux不能進(jìn)入RTOS行列的主要原因是：內(nèi)核無(wú)法及時(shí)進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，即任務(wù)調(diào)度器schedule()函數(shù)不能及時(shí)被執(zhí)行；當(dāng)中斷返回到內(nèi)核態(tài)時(shí)，Linux內(nèi)核禁止進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，只有中斷返回到用戶(hù)態(tài)時(shí)，Linux內(nèi)核才允許進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。針對(duì)這兩點(diǎn)，對(duì)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(shí)，Linux內(nèi)核禁止進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，只有中斷返回到用戶(hù)態(tài)時(shí)，Linux內(nèi)核才允許進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度的問(wèn)題，從而增強(qiáng)了任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性。
3 嵌入式Linux實(shí)時(shí)性能測(cè)試結(jié)果
測(cè)試工具：Linux Trace ToolKit-0．8
測(cè)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(shí)現(xiàn)的嵌入式Linnx。
測(cè)試結(jié)果如表l所示。
可以看出，本文構(gòu)建的Linux系統(tǒng)的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間處于十微秒級(jí)，完全可以滿(mǎn)足多媒體應(yīng)用終端的實(shí)時(shí)性需求。
根據(jù)多媒體應(yīng)用的特點(diǎn)，在盡可能地保證系統(tǒng)性能的前提下，本文通過(guò)提高系統(tǒng)所支持的時(shí)鐘精度、設(shè)計(jì)可搶占式內(nèi)核、增強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度改進(jìn)了通用Linnux的實(shí)時(shí)性(關(guān)鍵部分給出了源代碼及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性方面完全可以滿(mǎn)足多媒體終端應(yīng)用的需求，具有較好的應(yīng)用前景。
