一、實時系統(tǒng)基本概念

什么是實時系統(tǒng)，POSIX作了這樣的定義：指能夠在限定的響應時間內(nèi)提供所需水平服務的系統(tǒng)。另個一被Donald Gillies提出定義為：一個實時系統(tǒng)是指計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)生的時間,如果系統(tǒng)的時間約束條件得不到滿足,將會發(fā)生系統(tǒng)出錯。實時系統(tǒng)對響應時間有嚴格要求。

實時操作系統(tǒng)（RTOS，RealTime Operation System）是指能夠在給定的截止時間前對內(nèi)部或者外部的異常事件做出正確響應的操作系統(tǒng)。在實時操作系統(tǒng)中，進程的執(zhí)行結(jié)果的正確與否不僅與邏輯運算或數(shù)學計算結(jié)果的正確性相關(guān)，還與進程運行結(jié)束得出結(jié)果的時間有關(guān)，也就是說，如果一個進程的運算結(jié)果是正確的，但是由于它完成時間已經(jīng)超出了系統(tǒng)給定的***期限，在實時系統(tǒng)中，這個結(jié)果就是毫無意義的。

根據(jù)系統(tǒng)對響應時間約束條件的強弱可將實時操作系統(tǒng)分為兩大類：硬實時系統(tǒng)(HRT，HardReal-Time System)和軟實時系統(tǒng)(SRT，SoftReal-Time System)。

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

二、Linux操作系統(tǒng)實時性

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,因而實時性得到了加強"但是內(nèi)核中仍有大量的不可搶占區(qū)域,如由自旋鎖(SPinlock)保護的臨界區(qū)。

• 時鐘粒度粗糙

Linux2.6內(nèi)核雖然把時鐘頻率提高到1000 赫茲，定時精度達到了1ms，但遠不能滿足實時系統(tǒng)要求的微秒級定時精度，如數(shù)控系統(tǒng)要求50us 的定時精度。

• 關(guān)閉中斷

系統(tǒng)調(diào)用和中斷服務程序中，為了保護臨界區(qū)資源,Linux會長時間關(guān)閉中斷"有些系統(tǒng)調(diào)用和中斷服務程序的時間還很長,這樣會加大中斷延遲時間。

• 缺乏有效的實時任務調(diào)度機制和調(diào)度算法

Linux系統(tǒng)是按照分時系統(tǒng)的目標設(shè)計的,以達到系統(tǒng)較好的平均性能，強調(diào)平衡各進程之間的響應時間來保證公平的CPU時間占用。通常采用固定時間片的分時調(diào)度算法，內(nèi)核不能搶占，而實時系統(tǒng)的行為更多的取決于復雜的不可預知的情況。這些原則不能滿足實時系統(tǒng)短的響應時間和確定的執(zhí)行行為的要求。

• 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的問題

當一個低優(yōu)先級的進程占用了某種資源，導致同樣需要這個資源的高級進程無法運行，并且此時有一個優(yōu)先級在他們之間的就緒進程獲得了CPU 的控制權(quán)，這樣就使得高級別的任務需要等待比他優(yōu)先級別低的任務，這種現(xiàn)象就叫做優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。在Linux中，由于資源是不可搶占的，并且不支持優(yōu)先級繼承等策略，所以優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象可能會發(fā)生，這影響了系統(tǒng)的實時性能。

3、改進Linux實時性的方案

從前文可以看出，標準Linux內(nèi)核有許多制約實時性的因素，要將Linux系統(tǒng)用于實時環(huán)境，必須對其進行改進。目前改進Linux實時性的方案有兩種：直接修改內(nèi)核法、雙內(nèi)核法。

直接修改內(nèi)核法，通過對Linux 原理與源代碼的分析，通過對內(nèi)核的進程調(diào)度、中斷服務程序等代碼進行修改與優(yōu)化，提高系統(tǒng)的實時性能，并且為了保證系統(tǒng)的通用性，需要按照POSIX
的相關(guān)標準來進行改動。利用這種方法可以獲得較好的性能提升，并且因為與標準的Linux 內(nèi)核使用相同的應用程序接口，所以有良好的兼容性。目前，采用修改內(nèi)核方法改進Linux 實時性的產(chǎn)品很多，如 Kurt-Linux、TimesysLinux 和 Ingo's RT patch 等。

雙內(nèi)核法，通過在Linux 內(nèi)核與硬件中斷之間增加一個可搶先的實時內(nèi)核，把標準的Linux 內(nèi)核作為該實時內(nèi)核的一個優(yōu)先級***的進程來調(diào)度，它可以被實時進程搶斷，正常的
Linux 進程仍可以在 Linux 內(nèi)核上運行，這樣既可以使用標準分時操作系統(tǒng)即Linux 的各種服務，又能提供低延時的實時環(huán)境。RT-Linux 是采用雙內(nèi)核法改造Linux 實時性的典型代表。