一、實(shí)時(shí)系統(tǒng)基本概念

什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，POSIX作了這樣的定義：指能夠在限定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)提供所需水平服務(wù)的系統(tǒng)。另個(gè)一被Donald Gillies提出定義為：一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指計(jì)算的正確性不僅取決于程序的邏輯正確性，也取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間,如果系統(tǒng)的時(shí)間約束條件得不到滿足,將會(huì)發(fā)生系統(tǒng)出錯(cuò)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS，RealTime Operation System）是指能夠在給定的截止時(shí)間前對(duì)內(nèi)部或者外部的異常事件做出正確響應(yīng)的操作系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，進(jìn)程的執(zhí)行結(jié)果的正確與否不僅與邏輯運(yùn)算或數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果的正確性相關(guān)，還與進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束得出結(jié)果的時(shí)間有關(guān)，也就是說(shuō)，如果一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)算結(jié)果是正確的，但是由于它完成時(shí)間已經(jīng)超出了系統(tǒng)給定的***期限，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，這個(gè)結(jié)果就是毫無(wú)意義的。

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間約束條件的強(qiáng)弱可將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分為兩大類：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)(HRT，HardReal-Time System)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)(SRT，SoftReal-Time System)。

• 軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的限制不是十分苛刻，響應(yīng)的時(shí)間可以相對(duì)延遲，即未超過(guò)***規(guī)定時(shí)間太多的范圍內(nèi)，其結(jié)果都是可以接受的，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。
• 硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：對(duì)于硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)而言，不僅要求各個(gè)任務(wù)能夠運(yùn)行得到正確的結(jié)果，同時(shí)還必須在限定的時(shí)間內(nèi)完成，這個(gè)時(shí)間是由系統(tǒng)本身確定的，這比軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的時(shí)間約束條件嚴(yán)格了許多。例如，在航天領(lǐng)域的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未能得出所希望的運(yùn)算結(jié)果，其產(chǎn)生的后果將是十分嚴(yán)重的。

二、Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性

1、Linux系統(tǒng)框架
宏觀上，Linux的框架如圖1：

 為了更加直觀，更加便于理解，Linux框架圖1，可以抽象成下圖2。

• Linux中有大量不可搶占的區(qū)域

在Linux2.6中,內(nèi)核己經(jīng)可以搶占,因而實(shí)時(shí)性得到了加強(qiáng)"但是內(nèi)核中仍有大量的不可搶占區(qū)域,如由自旋鎖(SPinlock)保護(hù)的臨界區(qū)。

• 時(shí)鐘粒度粗糙

Linux2.6內(nèi)核雖然把時(shí)鐘頻率提高到1000 赫茲，定時(shí)精度達(dá)到了1ms，但遠(yuǎn)不能滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求的微秒級(jí)定時(shí)精度，如數(shù)控系統(tǒng)要求50us 的定時(shí)精度。

• 關(guān)閉中斷

系統(tǒng)調(diào)用和中斷服務(wù)程序中，為了保護(hù)臨界區(qū)資源,Linux會(huì)長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉中斷"有些系統(tǒng)調(diào)用和中斷服務(wù)程序的時(shí)間還很長(zhǎng),這樣會(huì)加大中斷延遲時(shí)間。

• 缺乏有效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)制和調(diào)度算法

Linux系統(tǒng)是按照分時(shí)系統(tǒng)的目標(biāo)設(shè)計(jì)的,以達(dá)到系統(tǒng)較好的平均性能，強(qiáng)調(diào)平衡各進(jìn)程之間的響應(yīng)時(shí)間來(lái)保證公平的CPU時(shí)間占用。通常采用固定時(shí)間片的分時(shí)調(diào)度算法，內(nèi)核不能搶占，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)的行為更多的取決于復(fù)雜的不可預(yù)知的情況。這些原則不能滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)短的響應(yīng)時(shí)間和確定的執(zhí)行行為的要求。

• 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的問(wèn)題

當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程占用了某種資源，導(dǎo)致同樣需要這個(gè)資源的高級(jí)進(jìn)程無(wú)法運(yùn)行，并且此時(shí)有一個(gè)優(yōu)先級(jí)在他們之間的就緒進(jìn)程獲得了CPU 的控制權(quán)，這樣就使得高級(jí)別的任務(wù)需要等待比他優(yōu)先級(jí)別低的任務(wù)，這種現(xiàn)象就叫做優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。在Linux中，由于資源是不可搶占的，并且不支持優(yōu)先級(jí)繼承等策略，所以優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象可能會(huì)發(fā)生，這影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

3、改進(jìn)Linux實(shí)時(shí)性的方案

從前文可以看出，標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核有許多制約實(shí)時(shí)性的因素，要將Linux系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)環(huán)境，必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。目前改進(jìn)Linux實(shí)時(shí)性的方案有兩種：直接修改內(nèi)核法、雙內(nèi)核法。

直接修改內(nèi)核法，通過(guò)對(duì)Linux 原理與源代碼的分析，通過(guò)對(duì)內(nèi)核的進(jìn)程調(diào)度、中斷服務(wù)程序等代碼進(jìn)行修改與優(yōu)化，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，并且為了保證系統(tǒng)的通用性，需要按照POSIX
的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行改動(dòng)。利用這種方法可以獲得較好的性能提升，并且因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)的Linux 內(nèi)核使用相同的應(yīng)用程序接口，所以有良好的兼容性。目前，采用修改內(nèi)核方法改進(jìn)Linux 實(shí)時(shí)性的產(chǎn)品很多，如 Kurt-Linux、TimesysLinux 和 Ingo's RT patch 等。

雙內(nèi)核法，通過(guò)在Linux 內(nèi)核與硬件中斷之間增加一個(gè)可搶先的實(shí)時(shí)內(nèi)核，把標(biāo)準(zhǔn)的Linux 內(nèi)核作為該實(shí)時(shí)內(nèi)核的一個(gè)優(yōu)先級(jí)***的進(jìn)程來(lái)調(diào)度，它可以被實(shí)時(shí)進(jìn)程搶斷，正常的
Linux 進(jìn)程仍可以在 Linux 內(nèi)核上運(yùn)行，這樣既可以使用標(biāo)準(zhǔn)分時(shí)操作系統(tǒng)即Linux 的各種服務(wù)，又能提供低延時(shí)的實(shí)時(shí)環(huán)境。RT-Linux 是采用雙內(nèi)核法改造Linux 實(shí)時(shí)性的典型代表。