Linux實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁研究及實(shí)時(shí)性能測試

張曉龍,郭銳鋒,陶耀東,劉 生

(1.中國科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所,沈陽110004;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100039)

Linux實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁研究及實(shí)時(shí)性能測試

張曉龍1,2,郭銳鋒1,陶耀東1,劉 生1,2

(1.中國科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所,沈陽110004;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100039)

準(zhǔn)確的量化數(shù)據(jù)可作為評(píng)測及選擇實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)的參考依據(jù)。研究實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)中實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁的關(guān)鍵特性,提出一種代碼插樁的實(shí)時(shí)性能評(píng)測方法。在增加實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁的Linux操作系統(tǒng)上加載運(yùn)行測試程序,利用測試程序關(guān)鍵位置的代碼探測段來獲取運(yùn)行系統(tǒng)中的重要信息,以完成實(shí)時(shí)性能的評(píng)測。對(duì)基于數(shù)控平臺(tái)上該實(shí)時(shí)系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時(shí)間和上下文切換時(shí)間等評(píng)測指標(biāo)進(jìn)行測試,結(jié)果表明,與標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)的評(píng)測指標(biāo)相比,該系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時(shí)間和上下文切換時(shí)間分別約減少10%和99%,達(dá)到了硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求,滿足數(shù)控應(yīng)用的實(shí)時(shí)需求。

實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng);實(shí)時(shí)搶占;實(shí)時(shí)性能;硬實(shí)時(shí)系統(tǒng);代碼插樁;數(shù)控平臺(tái)

1 概述

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為可以在有限確定的時(shí)間內(nèi)對(duì)異步輸入進(jìn)行處理并輸出的系統(tǒng)[1],近年來得到了廣泛關(guān)注和多樣性發(fā)展,并應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字控制、航空等領(lǐng)域。實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)[2]是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向,它具有開放源碼、可自行修改內(nèi)核適應(yīng)應(yīng)用需求等特點(diǎn)。本文中增加實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁的Linux系統(tǒng),區(qū)別于 RTLinux,RTAI(Real-Time Application Interface)等眾多實(shí)時(shí) Linux系統(tǒng),通過修改 Linux內(nèi)核本身讓其支持完全可搶占、可移植性增強(qiáng),并具有強(qiáng)大的社區(qū)支持[3]。本文對(duì)該搶占補(bǔ)丁進(jìn)行了研究和分析,在此基礎(chǔ)上提出簡單有效的測試方法來測試增加該補(bǔ)丁 Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能[4]。在實(shí)際應(yīng)用特別是數(shù)控領(lǐng)域應(yīng)用中,可為選擇該系統(tǒng)提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

2 實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁研究

2.1 實(shí)時(shí)補(bǔ)丁現(xiàn)狀

實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁(Realtime Preemption Patch, Preempt RT)是由IngoMolnar和Thomas Gleixner更新維護(hù),和其他在微內(nèi)核中通過增加實(shí)時(shí)搶占方法所不同,它在原有的低延遲補(bǔ)丁和搶占補(bǔ)丁的基礎(chǔ)上,加入中斷線程化、高精度時(shí)鐘、優(yōu)先級(jí)繼承等新特性,將Linux內(nèi)核修改成完全可搶占式內(nèi)核,使其具有硬實(shí)時(shí)能力[5]。

目前,Preempt RT還沒有完全加入到標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核中,但部分搶占支持、高精度時(shí)鐘、中斷線程化等已經(jīng)加入到最近的內(nèi)核版本中,如Linux 2.6.23內(nèi)核中加入Completely Fair Scheduler(CFS)、2.6.24版本中加入高精度時(shí)鐘以及2.6.30版本加入中斷線程化特性等。對(duì)完全可搶占的支持目前還沒有加入內(nèi)核中,但增加Preempt RT后可實(shí)現(xiàn)。因此,隨著實(shí)時(shí)特性不斷融入Linux內(nèi)核中,其實(shí)時(shí)性會(huì)越來越強(qiáng)[6]。

2.2 實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁分析

本文針對(duì)Linux2.6.33內(nèi)核實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁中一些關(guān)鍵的實(shí)時(shí)特性進(jìn)行分析。其中包括新型鎖機(jī)制、中斷線程化、優(yōu)先級(jí)繼承、高精度時(shí)鐘。

(1)新型鎖機(jī)制提升內(nèi)核性能

Preempt RT將大內(nèi)核鎖(BKL)和自旋鎖(spinlock)全部轉(zhuǎn)化為優(yōu)先級(jí)繼承的互斥鎖(mutex),持有鎖的線程可以被搶占,減少了內(nèi)核調(diào)度延遲,避免了不必要的時(shí)間開銷;同時(shí)該補(bǔ)丁實(shí)現(xiàn)了可搶占的RCU(Read-Copy Update)鎖和串行化讀寫鎖,提高了內(nèi)核性能。

(2)中斷線程化

中斷線程化是實(shí)時(shí)改造Linux的一個(gè)重要步驟。在Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核中,中斷是最高優(yōu)先級(jí)的執(zhí)行單元,只要有中斷事件,系統(tǒng)將立即響應(yīng),會(huì)使中斷非常頻繁,實(shí)時(shí)任務(wù)很難有機(jī)會(huì)運(yùn)行。為解決這個(gè)問題,引入了中斷線程化,中斷將作為內(nèi)核線程運(yùn)行而且被賦予不同的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí),若實(shí)時(shí)任務(wù)比到來的中斷線程擁有更高的優(yōu)先級(jí),實(shí)時(shí)任務(wù)不會(huì)被中斷線程中斷。中斷線程化保證了實(shí)時(shí)性,減小實(shí)時(shí)搶占延遲。

(3)優(yōu)先級(jí)繼承

自旋鎖被互斥鎖取代后會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)(rriority inversion)現(xiàn)象,即優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程由于優(yōu)先級(jí)低的進(jìn)程保持了競爭資源被迫等待,而讓中間優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程運(yùn)行。優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)將導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的搶占延遲增大,不能保證實(shí)時(shí)性。為避免不可預(yù)期的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題,Preempt RT實(shí)現(xiàn)了優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議,即自旋鎖的保持者將繼承高優(yōu)先級(jí)的競爭者進(jìn)程的優(yōu)先級(jí),從而能先于中間優(yōu)先級(jí)進(jìn)程運(yùn)行,盡可能快地釋放鎖,這樣高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程就能很快得到競爭的自旋鎖,使搶占延遲更短[7]。

(4)高精度時(shí)鐘

Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核通過基于Jiffies周期性時(shí)鐘滴答計(jì)時(shí),而且高精度的時(shí)間獲取需要依賴特定的平臺(tái),為調(diào)度短周期任務(wù),需要設(shè)置時(shí)鐘頻率為更小值,意味著時(shí)鐘中斷更加頻繁,會(huì)造成大量時(shí)鐘中斷處理和資源浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問題,實(shí)時(shí)搶占內(nèi)核的時(shí)鐘系統(tǒng)重新設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了高精度定時(shí)器[8]。時(shí)鐘精度不再依賴 jiffies,使 POSIX定時(shí)器和nanosleep精度由具體硬件提供的精度決定,從而系統(tǒng)調(diào)用gettimeofday能夠獲得精確的時(shí)間值。

3 實(shí)時(shí)性能測試方法

3.1 測試方法原理

在進(jìn)行實(shí)時(shí)性能的指標(biāo)評(píng)測時(shí),一般有基于硬件儀器測試[9]和軟件測試[10]2種方法?；谟布x器的方法通常利用示波器測試外部中斷響應(yīng)時(shí)間,但是需要昂貴的儀器以及需要設(shè)計(jì)軟、硬件環(huán)境,而且測試結(jié)果會(huì)受到儀器精度的影響。軟件測試是通過系統(tǒng)調(diào)用讀取系統(tǒng)時(shí)鐘所提供的時(shí)間,記錄內(nèi)核中任意兩處代碼間的執(zhí)行時(shí)間。相比前者,對(duì)硬件要求小,而且測試方法易于設(shè)計(jì),可跨多平臺(tái)使用。

通過對(duì)Linux內(nèi)核以及實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁的研究,本文提出了代碼插樁的軟件測試方法,如圖1所示,其原理是設(shè)計(jì)測試程序,將它們加載到待測的實(shí)時(shí)系統(tǒng)上,并在測試程序的關(guān)鍵位置插入代碼探測段來獲得系統(tǒng)信息,包括程序運(yùn)行信息、系統(tǒng)時(shí)間以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息。

圖1 測試方法原理

由于增加Preempt RT的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了高精度定時(shí)器,使得系統(tǒng)調(diào)用能夠獲得精確時(shí)間值,因此在關(guān)鍵位置的探測代碼,可以準(zhǔn)確收集到其實(shí)時(shí)性能的時(shí)間信息。

3.2 測試方法實(shí)現(xiàn)

一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能的主要評(píng)測標(biāo)準(zhǔn)包括系統(tǒng)中斷響應(yīng)時(shí)間、中斷延遲時(shí)間、上下文切換時(shí)間、調(diào)度延遲時(shí)間等。針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能應(yīng)具有可預(yù)測性和低延時(shí)的特點(diǎn),本文認(rèn)為測試中斷響應(yīng)時(shí)間和上下文切換時(shí)間對(duì)于實(shí)時(shí)性能的評(píng)測具有較高的參考價(jià)值。

(1)中斷響應(yīng)時(shí)間

中斷響應(yīng)時(shí)間是指從中斷觸發(fā)到開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序(Interrupt Service Routines,ISR)的第一條指令之間的時(shí)間。如圖2所示,中斷響應(yīng)時(shí)間包括中斷仲裁時(shí)間T1,系統(tǒng)關(guān)中斷和結(jié)束當(dāng)前指令時(shí)間T2、處理器延遲時(shí)間T3以及系統(tǒng)處理時(shí)間T4,因此,需要測試的中斷響應(yīng)時(shí)間為Tir=T1+T2+T3+T4。

圖2 中斷響應(yīng)時(shí)間劃分

首先,編寫一個(gè)并口的中斷服務(wù)程序,將其綁定至對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)IRQ7。在中斷服務(wù)程序中加入代碼探測段,系統(tǒng)調(diào)用do_gettimeofday用于獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間,使用outb命令對(duì)并口進(jìn)行操作。在實(shí)時(shí)主線程中,同樣加入代碼探測段,并利用并口引腳頻繁產(chǎn)生中斷信號(hào),記錄中斷發(fā)生時(shí)間TIME_START,在中斷服務(wù)程序中記錄執(zhí)行第一條指令的時(shí)間TIME_END,因此,中斷響應(yīng)時(shí)間RESPONSE_TIME= TIME_END-TIME_START。

中斷響應(yīng)延遲時(shí)間測試程序如下:

上下文切換時(shí)間是指從當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的最后一條指令執(zhí)行完畢開始,到下一個(gè)就緒任務(wù)的首條指令開始執(zhí)行之間的時(shí)間。如圖3所示,當(dāng)一個(gè)正在進(jìn)行的任務(wù)TASK1需要切換到另一個(gè)任務(wù)TASK2時(shí),任務(wù)自身將被掛起,而新任務(wù)準(zhǔn)備就緒開始執(zhí)行,其中包括一系列的操作,保存被切換任務(wù)的狀態(tài)、查找就緒隊(duì)列以及新任務(wù)載入等,這整個(gè)過程的時(shí)間開銷就是上下文的切換時(shí)間Tcs。

圖3 上下文切換時(shí)間Tcs

Linux內(nèi)核中上下文切換過程是通過調(diào)用context_switch()函數(shù)完成的,因此,利用函數(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)2個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)TASK1和TASK2,并且在每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)中插入代碼探測段,即代碼插樁。通過頻繁切換2個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)來測試上下文切換時(shí)間Tcs,其中clock_gettime表示獲得當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間的函數(shù),usleep函數(shù)能使調(diào)度器產(chǎn)生調(diào)度。為了使調(diào)度器能顧頻繁的調(diào)度切換這2個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù),需要設(shè)置2個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別為最高,并且采用SCHED_RR的調(diào)度策略。

上下文切換時(shí)間測試程序如下:

4 實(shí)時(shí)性能測試結(jié)果

通過代碼插樁的測試方法,對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間和上下文切換時(shí)間重要指標(biāo)進(jìn)行測試。測試硬件平臺(tái)為藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng),硬件參數(shù)為Pentium(R)E2200 CPU處理器,頻率為2 GHz,1 GB內(nèi)存。Linux內(nèi)核是官方linux2.6.33.7版本,Preempt RT為 patch-2.6.33.7-rt30。配置內(nèi)核時(shí)選擇 Complete Preemption(Real-Time)。

4.1 中斷響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測試了5 000次中斷響應(yīng)時(shí)間,并根據(jù)測試結(jié)果繪制標(biāo)準(zhǔn) Linux系統(tǒng)和增加 Preempt RT的Linux系統(tǒng)分別在空負(fù)載和滿負(fù)載的情況下中斷響應(yīng)時(shí)間的測試對(duì)比圖,如圖4、圖5所示。

圖4 系統(tǒng)空負(fù)載情況下的中斷響應(yīng)時(shí)間

圖5 系統(tǒng)滿負(fù)載情況下的中斷響應(yīng)時(shí)間

結(jié)果顯示,在空負(fù)載和滿負(fù)載的情況下,標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性弱于增加Preempt RT的Linux系統(tǒng)。前者的中斷響應(yīng)時(shí)間在100 μs,而后者在2種不同的負(fù)載下,中斷響應(yīng)延遲最大值由51 μs增加到90 μs,沒有超過100 μs,平均值穩(wěn)定在13 μs之下。綜上所述,增加Preempt RT的Linux系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)均小于100 μs,處于微秒數(shù)量級(jí),較標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)減少了約10%,并且達(dá)到了硬實(shí)時(shí)的要求。

4.2 上下文切換時(shí)間測試結(jié)果

通過2個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行150 000次的任務(wù)切換,根據(jù)結(jié)果繪制上下文切換時(shí)間的測試對(duì)比圖,如圖6、圖7所示。

圖6 系統(tǒng)空負(fù)載情況下上下文切換時(shí)間示意圖

圖7 系統(tǒng)滿負(fù)載情況下的上下文切換時(shí)間

結(jié)果顯示,標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng),2種負(fù)載下最大上下文切換時(shí)間分別是1 285 μs和2 612 μs,而增加補(bǔ)丁的Linux系統(tǒng)為8.9 μs和9.9 μs,上下文切換時(shí)間是毫秒級(jí)與微秒級(jí)的差別。綜上所述,增加Preempt RT的Linux上下文切換時(shí)間小于10 μs,較標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核減少了約99%,并且滿足硬實(shí)時(shí)的要求。

5 實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)性能對(duì)比

為了進(jìn)一步分析Preempt RT,與其他實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)橫向?qū)Ρ?綜合分析實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)之間的性能差異,評(píng)估增加Preempt RT的Linux系統(tǒng)是否滿足數(shù)控領(lǐng)域應(yīng)用的需求。

本文就整合過的指標(biāo)參數(shù),對(duì)多種實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測試。選擇對(duì)比的測試對(duì)象是RTLinux3.0[11]和Xenomai[12-13]。

表1數(shù)據(jù)顯示,增加Preempt RT的Linux系統(tǒng)在最大中斷響應(yīng)延遲時(shí)間上相比 Xenomai高出3.9倍,但是最壞時(shí)間沒有超過100 μs,在平均值上3種系統(tǒng)相差不大,但是可以看出RTLinux的性能最好。在上下文切換時(shí)間指標(biāo)上,增加Preempt RT的Linux系統(tǒng)最大值為9.9 μs,時(shí)間性能比Xenomai好52%,平均值上接近硬實(shí)時(shí)RTLinux系統(tǒng)的數(shù)值,遠(yuǎn)小于Xenomai的參數(shù)值。

表1 實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能參數(shù)值對(duì)比 μs

綜合2個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)比較來看,3種實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)都滿足硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的指標(biāo)要求。根據(jù)數(shù)控應(yīng)用對(duì)RTLinux等實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求[14],表明增加Preempt RT的Linux系統(tǒng)滿足數(shù)控應(yīng)用的需求,同時(shí)進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)具有不錯(cuò)的硬實(shí)時(shí)能力。

6 結(jié)束語

本文結(jié)合實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁的特性和實(shí)時(shí)系統(tǒng)性能評(píng)測的方式,提出了代碼插樁的軟件測試方法,并且對(duì)增加Preempt RT的Linux系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)測,結(jié)果表明該系統(tǒng)基本到達(dá)了硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。目前,該測試方法適用于數(shù)控平臺(tái)上的一般實(shí)時(shí)系統(tǒng),下一步將在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)上針對(duì)具體應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)測,并在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步優(yōu)化該測試方法。

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編輯 索書志

Research of Linux Real-time Preemption Patch and Real-time Performance Measure

ZHANG Xiao-long1,2,GUO Rui-feng1,TAO Yao-dong1,LIU Sheng1,2
(1.Shenyang Institute of Computing Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110004,China;
2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

To obtain accurate quantitative data as a reference for evaluating and selecting real-time Linux system,this paper researches several more critical characteristics of the real-time preemption patch of real-time Linux operating system in-depth,and proposes a method of program instrumentation for real-time performance evaluation.In the evaluating process,it loads and runs the test program on the Linux operating system with Preempt-RT patch,gets the important system information data by testing the key position of program with code probe to evaluate its real-time performance,and does the comparison test of the interrupt response time and context switch time as the most important criteria between Linux system with Preempt-RT patch and standard Linux system based on the numerical control system platform. Experimental result shows the interrupt response time on the patch system decreases by about 10% compared with standard Linux system,while context switch time decreases by about 99%,which satisfies the hard real-time system and meets the real-time demand of numerical control applications.

real-time Linux system;real-time preemption;real-time performance;hard real-time system;code instrumentation;numerical control platform

1000-3428(2014)10-0304-04

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.056

“核高基”重大專項(xiàng)“國產(chǎn)軟硬件在數(shù)控/工業(yè)裝置中的應(yīng)用與推廣”(2012ZX01029-001-002)。

張曉龍(1989-),男,碩士研究生,主研方向:實(shí)時(shí)系統(tǒng);郭銳鋒,研究員、博士生導(dǎo)師;陶耀東,副研究員;劉 生,博士。

2013-07-12

2013-09-28E-mail:wdzxl198@163.com

中文引用格式:張曉龍,郭銳鋒,陶耀東,等.Linux實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁的研究及實(shí)時(shí)性能測試[J].計(jì)算機(jī)工程,2014, 40(10):304-307,313.

英文引用格式:Zhang Xiaolong,Guo Ruifeng,Tao Yaodong,et al.Research of Linux Real-time Preemption Patch and Real-time Performance Measure[J].Computer Engineering,2014,40(10):304-307,313.