作者：李智敏,華清遠(yuǎn)見嵌入式學(xué)院上海中心講師。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)指系統(tǒng)的計(jì)算正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯正確性，還取決于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間。如果未滿足系統(tǒng)的時(shí)間約束，則認(rèn)為系統(tǒng)失效。換句話說，系統(tǒng)面對(duì)變化的負(fù)載（從最小到最壞的情況）時(shí)必須確定性地保證滿足時(shí)間要求。

注意，實(shí)時(shí)性與速度關(guān)系不大：它與可預(yù)見性有關(guān)。例如，使用快速的現(xiàn)代處理器時(shí)，Linux 可以提供 20 μ 微秒的典型中斷響應(yīng)，但有時(shí)候響應(yīng)會(huì)變得很長(zhǎng)。這是一個(gè)基本的問題：并不是 Linux 不夠快或效率不夠高，而是因?yàn)樗荒芴峁┐_定性。

當(dāng)中斷到達(dá)時(shí)（event），CPU 發(fā)生中斷并轉(zhuǎn)入中斷處理。執(zhí)行一些工作以確定發(fā)生了什么事件，然后執(zhí)行少量工作分配必需的任務(wù)以處理此事件（上下文切換）。中斷到達(dá)與分發(fā)必需任務(wù)之間的時(shí)間（假設(shè)分配的是優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)）稱為響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)是確定的并應(yīng)當(dāng)在已知的最壞情況的時(shí)間內(nèi)完成。因此，對(duì)于某些高安全性的場(chǎng)合，操作系統(tǒng)應(yīng)快速地分配任務(wù)，并且不允許其他非實(shí)時(shí)處理進(jìn)行干擾。晚一秒鐘響應(yīng)比沒有響應(yīng)的情況更糟糕。

除為中斷處理提供確定性外，實(shí)時(shí)處理也需要支持周期性間隔的任務(wù)調(diào)度。大量控制系統(tǒng)要求周期性采樣與處理。某個(gè)特定任務(wù)必須按照固定的周期（p）執(zhí)行，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在某些控制場(chǎng)合下，為了保持控制系統(tǒng)的正常工作，傳感器的采樣與控制必須按照一定的周期間隔。這意味著必須搶占其他處理，以便特定任務(wù)能按照期望的周期執(zhí)行。

能夠在指定的期限完成實(shí)時(shí)任務(wù)（即便在最壞的處理負(fù)載下也能如此）的操作系統(tǒng)稱為硬實(shí)時(shí) 系統(tǒng)。但并不是任何情況下都需要硬實(shí)時(shí)支持。如果操作系統(tǒng)在平均情況下能支持任務(wù)的執(zhí)行期限，則稱它為軟實(shí)時(shí) 系統(tǒng)。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)指超過截止期限后將造成災(zāi)難性后果（例如展開氣囊過晚或制動(dòng)壓力產(chǎn)生的滑行距離過長(zhǎng)）的系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)超過截止期限后并不會(huì)造成系統(tǒng)整體失?。ㄈ鐏G失視頻中的一幀）。

Linux 架構(gòu)支持通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)。

1． 瘦內(nèi)核方法

瘦內(nèi)核（或微內(nèi)核）方法使用了第二個(gè)內(nèi)核作為硬件與 Linux 內(nèi)核間的抽象接口。非實(shí)時(shí) Linux 內(nèi)核在后臺(tái)運(yùn)行，作為瘦內(nèi)核的一項(xiàng)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)托管全部非實(shí)時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)任務(wù)直接在瘦內(nèi)核上運(yùn)行。

瘦內(nèi)核主要用于（除了托管實(shí)時(shí)任務(wù)外）中斷管理。瘦內(nèi)核截取中斷以確保非實(shí)時(shí)內(nèi)核無(wú)法搶占瘦內(nèi)核的運(yùn)行。這允許瘦內(nèi)核提供硬實(shí)時(shí)支持。

雖然瘦內(nèi)核方法有自己的優(yōu)勢(shì)（硬實(shí)時(shí)支持與標(biāo)準(zhǔn) Linux 內(nèi)核共存），但這種方法也有缺點(diǎn)。實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)是獨(dú)立的，這造成了調(diào)試?yán)щy。而且，非實(shí)時(shí)任務(wù)并未得到 Linux 平臺(tái)的完全支持（瘦內(nèi)核執(zhí)行稱為瘦 的一個(gè)原因）。

使用這種方法的例子有 RTLinux。

2． 超微內(nèi)核方法

瘦內(nèi)核方法依賴于包含任務(wù)管理的最小內(nèi)核，而超微內(nèi)核法對(duì)內(nèi)核進(jìn)行更進(jìn)一步的縮減。通過這種方式，它不像是一個(gè)內(nèi)核而更像是一個(gè)硬件抽象層（HAL）。超微內(nèi)核為運(yùn)行于更高級(jí)別的多個(gè)操作系統(tǒng)提供了硬件資源共享。

這種方法和運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)的虛擬化方法有一些相似之處。使用這種方法的情況下，超微內(nèi)核在實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)內(nèi)核中對(duì)硬件進(jìn)行抽象。這與 hypervisor 從客戶（guest）操作系統(tǒng)對(duì)裸機(jī)進(jìn)行抽象的方式很相似。

3． 資源內(nèi)核法

這種方法為內(nèi)核增加一個(gè)模塊，為各種資源提供預(yù)留（reservation）。這種機(jī)制保證了對(duì)時(shí)分復(fù)用（time-multiplexed）系統(tǒng)資源的訪問（CPU、網(wǎng)絡(luò)或磁盤帶寬）。這些資源擁有多個(gè)預(yù)留參數(shù)，如循環(huán)周期、需要的處理時(shí)間（也就是完成處理所需的時(shí)間），以及截止時(shí)間。

資源內(nèi)核提供了一組應(yīng)用程序編程接口（API），允許任務(wù)請(qǐng)求這些預(yù)留資源。然后資源內(nèi)核可以合并這些請(qǐng)求，使用任務(wù)定義的約束定義一個(gè)調(diào)度，從而提供確定的訪問（如果無(wú)法提供確定性則返回錯(cuò)誤）。通過調(diào)度算法，內(nèi)核可以處理動(dòng)態(tài)的調(diào)度負(fù)載。

資源內(nèi)核法實(shí)現(xiàn)的一個(gè)示例是 CMU 公司的 Linux/RK，它把可移植的資源內(nèi)核集成到 Linux 中作為一個(gè)可加載模塊。這種實(shí)現(xiàn)演化成商用的 TimeSys Linux/RT 產(chǎn)品。

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