《Linux内核实时性以及网络实时性的研究》

Posted 2022-06-21 Jiamings

[1]沈涛. Linux内核实时性以及网络实时性的研究[D].南京邮电大学,2013.

Linux虽然自身面向通用操作系统，但是由于其源码级的定制修改属性，Linux具备实时性成为了可能。

本文目标：对于Linux下网络的实时化改进。
        + 双内核Linux实时化改造方案 Xenomai
        + 两套嵌入式平台上基于 Xenomai 完成对 Linux 的内核的实时化改造

实时操作系统特点：
    1. 时间约束性（截止时间）。软实时：监控系统和信息采集系统
    2. 可预测性（系统能够对实时任务的执行时间进行判断）。硬件延迟的预测、软件系统的可预测（应用程序的响应时间）、操作系统的可预测性（保证应用程序执行时间的有界性，调度函数等运行开销是有界的）
    3. 可靠性（采用静态分析和保留资源的方法及冗余配置，保障系统）

衡量实时性的指标（如果以下两个指标是确定的，可预测的，那么就可以说该操作系统是实时的）：
    1. 中断时延（很多实时任务是靠中断驱动的，外部事件发生到相应中断处理函数的开始执行的时间）
    2. 抢占/调度时延（从一个外部事件发生到处理该外部事件的时延）

实时 Linux 改造方法（增加实时内核的双内核方案/改进现有内核/虚拟机来完成Linux实时应用的方案（虚拟机系统取代了实时内核））：
    1. 双内核方案 RT-Linux，RTAI，Xenomai：
        1. 非实时内核+实时内核。RTLinux、实时应用程序接口（RTAI）、Xenomai
        2. 超微内核。对硬件进行抽象，对更高级别的操作系统提供优先权。ADEOS
    2. 改进内核方案：MontaVista Linux、Time Sys Linux、RT-Preempt Patch、ART-Linux    
        1. 资源内核法。为内核增加一个可移植的资源模块。Linux/RK
        2. kernel 2.6 软实时 + 内核补丁 = 硬实时
    3. 实时虚拟机方案：实时虚拟机包括 VLX、L4、XtratuM 以及由 WindRiver、Freescale、Xen、Trangon/VMware 主导的其他项目。
    XtratuM：
        而实时虚拟机的一般都是运行于裸机上的虚拟机；
        利用域作为基本调度的任务单位（具有硬件资源，比进程范围更大的任务单位），Linux也运行在其中一个域上；
        客户操作系统被分为两类：Linux为代表的非实时系统、PartiKle为代表的实时系统；
        采用超微内核，直接管理系统中与实时性密切相关的中断、定时器等底层资源；

Linux 不够实时的原因：
    1. 中断具有最高优先级（包括软中断）。实时任务的优先级得不到保证。
    2. 内核可抢占性不足。Linux2.4和之前的版本中，如果当前任务运行在内核态，无论当前是否有优先级更高的任务需要运行，正在执行的任务也不能被抢占，等待让出的 CPU。
        1. 自愿抢占。加入可抢占点，改善系统调度。
        2. Linux2.6版本开始，内核具备了一定的可抢占性。除了不可抢占区域（自旋锁保护的临界区），其余都可以实现抢占。
    3. 自旋锁。一种数据同步机制。
    4. 调度算法。Linux2.6之后引入可抢占内核，引入了时间复杂度O(1)的调度器
    5. 关中断指令的使用。增大中断时延。损害实时性。

Xenomai —— 强实时扩展框架

双内核方案。RT-Linux、RTAI、Xenomai

Xenomai nucleus + Linux kernel = 提供与接口无关的硬实时性能。

Xenomai 技术能够提供强实时的内核扩展：1. 存在一个支持强实时的微内核——Xenomai nucleus，与Linux内核共同运行于硬件平台上，优先级高于Linux内核，负责实时任务；2. Linux 内核负责非实时任务，只有当没有实时任务时，它才能得到运行的机会。

Xenomai 优势

1. 具有良好的移植性和兼容性。不盲目追求极致实时性，宁可为良好的移植性和兼容性牺牲实时性也可以接受，因为其所提供的实时性能已经足以应付绝大部分的实时任务需求。
2. 具有丰富的实时API（Skin）。
   
3. 广泛的硬件架构支持。
   
4. 活跃的开源项目

Adeos —— 操作系统可适应域环境

Xenomai 基于 Adeos 实现双内核机制。 Adeos 操作系统可适应域环境，是一个实时系统框架，提供了在同一套硬件上同时运行 GNU/Linux 和 RTOS 的途径。与 Linux 全称应该是 GNU/Linux 一样，Adeos/Xenomai。

• Adeos 在同一套硬件上提供了多个域，彼此独立，但能够和 Adeos 通信。一个域通常包含一个完整的操作系统，所有的域都有能力根据被赋予的系统优先级，处理外部事件或者内部事件。
• Adeos 屏蔽了底层硬件，对上层域提供通用 API，系统的移植工作完全取决于 Adeos 的移植。

Xenomai是什么？
  是一种技术，对应的微内核称为Xenomai Nucleus
Xenomai域的地位？
  类似"模块"，由根域来加载。
  为内核代码打上Xenomai补丁，安装Xenomai实时库文件，所有的测试脚本和可执行文件会在/usr/xenomai/bin 目录下，而共享库文件则在/usr/xenomai/lib 目录下。

Adeos 特性：

1. 事件管道

基于事件控制链的客户域是 Adeos 的基本结构，我认为进行了一个软分片，规定了什么时候处理什么事情。

1. Adeos 向域发出每一个外部中断；
2. Adeos 向域发出每一个系统调用；
3. Adeos 向域发出内核代码产生的系统事件（Linux 任务交换、信号通知）

Adeos 将事件管道中的事件按照由高优先级到低优先级的顺序排列，并依次传递给对应的优先级域处理。 将事件分为了三个大类（域）进行集中处理。

其它域都需要 Linux 来对它们进行安装，通常是作为 Linux 内核模块的方式加载。

2. 主动中断保护

1. 在处理事件管道中的某个域时，事件管道处于延阻状态（推迟状态），下一个到来的中断不会被提交，会被阻塞并记录在中断日志中，之后进行同步操作），也杜绝低优先级的事件抢占。
2. 对处于管道前列，并且高于当前域优先级的事件，仍然会响应抢占。
3. 当处理完一个域后，执行 Adeos 系统服务，将 CPU 交给事件管道中的下一个域，直到最后一个优先级最低的域。

3. 系统事件传递

事件管道中的内容：中断、内核或应用程序产生的陷阱和异常。

大部分对 Adeos 提起的服务请求都来自于 HAL。

Adeos 和 Xenomai

Adeos 和 Xenomai：Adeos 必须在 Linux 内核得知中断之前首先处理中断，并且无论 Linux 内核是否通过 CPU 中断掩码屏蔽中断都必须立刻处理中断。Xenomai 能够根据这些Adeos的保证，准确给出微秒级的中断时延预测，无论 Linux 在执行什么活动。通过对 Xenomai 快速对 Linux 任务的协作调度技术，为实时线程提供了可预测的抢占时延。

Xenomai 的主域（Xenomai(primary)Xenomai线程）和次域（Linux(secondary)Xenomai线程）（优先级的区别）

Xenomai 管理的线程工作在实时内核（Xenomai-nucleus）上。实时线程可以处于内核空间或者普通进程空间，可以运行在任何域上，会依据线程优先级来执行。试想这样一个场景：当管道正在处理从域事件，但是此刻来了一个更低优先级的主域线程，那么并不会发生抢占（意味着该线程虽然是Xenomai核心处理，但是优先级较低）。

中断屏蔽域：Xenomai 线程受linux内核调度时启动，在其它状态下停用。Xenomai 线程在linux域（系统环境中的）执行时 （Xenomai线程并不意味着就是实时线程？），保障不会被非实时的linux中断活动中断 （保障了非实时的Xenomai线程的优先级？）。

当 Xenomai 核被加载时，底层的 Adeos 管道会经历三个阶段（实时核心域、中断屏蔽域、linux域），而所有的中断都会按优先级在管道中流过。

系统调用拦截

Xenomai 通过 Xenomai 线程拦截每个系统陷阱和异常，无论来自 Xenomai 域还是 Linux 域。通过 Adeos 服务来登记每个事件处理器。

• 将来自应用的实时服务请求传递给对应的系统调用处理器，而这些处理器由实时核心上不同的 API 来实现。
• 确保每个系统调用都由恰当的域来控制，无论是 Xenomai 域或是 Linux 域。
• 对Xenomai域的系统调用可以看作是linux的扩展。

中断传播

中断处理程序必须调用中断传递服务指定域，从而将中断在广播中继续传播，如果 Xenomai 没有对指定的中断提供中断处理程序，那么该中断将被无条件地传递给linux内核。

在 Xenomai 域中的实时核心总能在中断到来时第一个得知，并对中断进行处理，在对中断进行适当标记后通过管道向下传递，Xenomai 域在没有实时活动阻塞时将 CPU 交给中断屏障域，而中断屏障域则根据是否启用中断屏障来决定是否将中断传递给 Linux 内核。

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XtratuM 实时虚拟机