Linux操作系统实时性有哪一些制约因素

Linux操作系统实时性有哪一些制约因素

因此在设计Linux的进程调度算法时主要考虑的是公平性，也就是说，调度器尽可能将可用的资源平均分配给所有需要处理器的进程，并保证每个进程都得以运行。但这个设计目标是和实时进程的需求背道而驰的，所以标准Linux并不提供强实时性。

（1） 进程调度

（2） 内核抢占机制

Linux的系统进程运行分为用户态和内核态两种模式。当进程运行在用户态时，具有高的优先级的进程可以抢占进程，可以较好地完成任务;但是当进程运行在内核态时，即使其他高优先级进程也不能抢占该进程。当进程通过系统调用进入内核态运行时，实时任务必须等待系统调用返回后才能获得系统资源。这和实时系统所要求的高优先级任务运行是相互矛盾的。

当然，这种情况在Linux2.6版本的内核发布以来有了显著改进，Linux2.6版本后的内核是抢占式的，这意味着进程无论在处于内核态还是用户态，都可能被抢占。Linux2.6以后的内核提供以下3种抢占模式供用户选择。

PREEMPT_NONE——没有强制性的抢占。整体的平均延时较低，但偶尔也会出现一些较长的延时。它最适合那些以整体吞吐率为首要设计准则的应用。

PREEMPT_VOLUNTARY——降低延时的第一阶段。它会在内核代码的一些关键位置上放置额外的显示抢占点，以降低延时。但这是以牺牲整体吞吐率为代价的。

（3） 中断屏蔽

Linux在进行中断处理时都会关闭中断，这样可以更快、更安全地完成自己的任务，但是在此期间，即使有更高优先级的实时进程发生中断，系统也无法响应，必须等到当前中断任务处理完毕。这种状况下会导致中断延时和调度延时增大，降低Linux系统的实时性。

（4） 时钟粒度粗糙

在Linux2.6内核中，时钟中断发生频率范围是50~1200Hz，周期不小于0.8ms，对于需要几十微秒的响应精度的应用来说显然不满足要求。而在嵌入式Linux系统中，为了提高整体吞吐率，时钟频率一般设置为100HZ或250HZ。

（5） 虚拟内存管理

Linux采用虚拟内存技术，进程可以运行在比实际空间大得多的虚拟空间中。在分时系统中，虚拟内存机制非常适用，然而对于实时系统这是难以忍受的，频繁的页面换进换出会使得系统进程运行无法在规定时间内完成。

对于此问题，Linux系统提供内存锁定功能，以避免在实时处理中存储页被换出。

（6） 共享资源的互斥访问差异

多个任务互斥地访问同一共享资源时，需要防止数据遭到破坏，系统通常采用信号量机制解决互斥问题。然而，在采取基于优先级调度的实时系统中，信号量机制容易造成优先级倒置，即低优先级任务占用高优先级任务资源，导致高优先级任务无法运行。

虽然从2.6.12版本之后，Linux内核已经可以在较快的x86处理器上实现10毫秒以内的软实时性能。但如果想实现可预测、可重复的微秒级的延时，使Linux系统更好地应用于嵌入式实时环境，则需要在保证Linux系统功能的基础上对其进行改造。

来源：朗锐智科

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