雖然Linux系統(tǒng)功能強大、實用性強、易于軟件的二次開發(fā)，并且提供編程人員熟悉的標(biāo)準(zhǔn)API。但是由于Linux系統(tǒng)一開始就被設(shè)計成GPOS（通用操作系統(tǒng)），它的目的是構(gòu)建一個完整、穩(wěn)定的開源操作系統(tǒng)，盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間，提高吞吐量，注重操作系統(tǒng)的整體功能需求，達(dá)到更好地平均性能。（在操作系統(tǒng)中，我們可以把吞吐量簡單的理解為在單位時間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的事件總數(shù)。）嵌入式定制

因此在設(shè)計Linux的進(jìn)程調(diào)度算法時主要考慮的是公平性，也就是說，調(diào)度器盡可能將可用的資源平均分配給所有需要處理器的進(jìn)程，并保證每個進(jìn)程都得以運行。但這個設(shè)計目標(biāo)是和實時進(jìn)程的需求背道而馳的，所以標(biāo)準(zhǔn)Linux并不提供強實時性。

Linux系統(tǒng)實時性不強使其在嵌入式應(yīng)用中有一定的局限性，主要是受內(nèi)核可搶占性、進(jìn)程調(diào)度方式、中斷處理機制、時鐘粒度等幾個方面的制約，具體如下：

（1） 進(jìn)程調(diào)度

Linux系統(tǒng)提供符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度策略，包括FIFO調(diào)度策略（SCHED_FIFO）、帶時間片輪轉(zhuǎn)的實時調(diào)度策略（SCHED_RR）和靜態(tài)優(yōu)先級搶占式調(diào)度策略（SCHED_OTHER）。Linux進(jìn)程默認(rèn)的調(diào)度策略為SCHED_OTHER，這種調(diào)度方式雖然可以讓進(jìn)程公平地使用CPU和其它資源，但是并不能保證對時間要求嚴(yán)格或者高優(yōu)先級的進(jìn)程將先于低優(yōu)先級的執(zhí)行，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)實時性。那么，將實時進(jìn)程的調(diào)度策略設(shè)置為SCHED_FIFO 或SCHED_RR ，似乎使得Linux系統(tǒng)具備根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級進(jìn)行實時調(diào)度的能力，但問題在于，Linux系統(tǒng)在用戶態(tài)支持可搶占調(diào)度策略，而在內(nèi)核態(tài)卻不完全支持搶占式調(diào)度策略。這樣運行在Linux內(nèi)核態(tài)的任務(wù)（包括系統(tǒng)調(diào)用和中斷處理）是不能被其它優(yōu)先級更高的任務(wù)所搶占的，由此引起優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)問題。

（2） 內(nèi)核搶占機制

Linux的系統(tǒng)進(jìn)程運行分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)兩種模式。當(dāng)進(jìn)程運行在用戶態(tài)時，具有高的優(yōu)先級的進(jìn)程可以搶占進(jìn)程，可以較好地完成任務(wù);但是當(dāng)進(jìn)程運行在內(nèi)核態(tài)時，即使其他高優(yōu)先級進(jìn)程也不能搶占該進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運行時，實時任務(wù)必須等待系統(tǒng)調(diào)用返回后才能獲得系統(tǒng)資源。這和實時系統(tǒng)所要求的高優(yōu)先級任務(wù)運行是相互矛盾的。

當(dāng)然，這種情況在Linux2.6版本的內(nèi)核發(fā)布以來有了顯著改進(jìn)，Linux2.6版本后的內(nèi)核是搶占式的，這意味著進(jìn)程無論在處于內(nèi)核態(tài)還是用戶態(tài)，都可能被搶占。Linux2.6以后的內(nèi)核提供以下3種搶占模式供用戶選擇。

PREEMPT_NONE——沒有強制性的搶占。整體的平均延時較低，但偶爾也會出現(xiàn)一些較長的延時。它最適合那些以整體吞吐率為首要設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用。

PREEMPT_VOLUNTARY——降低延時的第一階段。它會在內(nèi)核代碼的一些關(guān)鍵位置上放置額外的顯示搶占點，以降低延時。但這是以犧牲整體吞吐率為代價的。

PREEMPT/PREEMPT_DESKTOP——這種模式使內(nèi)核在任何地方都是可搶占的，臨界區(qū)除外。這種模式適用于那些需要軟實時性能的應(yīng)用程序，比如音頻和多媒體。這也是以犧牲整體吞吐率為代價的。

（3） 中斷屏蔽

Linux在進(jìn)行中斷處理時都會關(guān)閉中斷，這樣可以更快、更安全地完成自己的任務(wù)，但是在此期間，即使有更高優(yōu)先級的實時進(jìn)程發(fā)生中斷，系統(tǒng)也無法響應(yīng)，必須等到當(dāng)前中斷任務(wù)處理完畢。這種狀況下會導(dǎo)致中斷延時和調(diào)度延時增大，降低Linux系統(tǒng)的實時性。

（4） 時鐘粒度粗糙

時鐘系統(tǒng)是計算機的重要組成部分，相當(dāng)于整個操作系統(tǒng)的脈搏。系統(tǒng)所能提供的最小時間間隔稱為時鐘粒度，時鐘粒度與進(jìn)程響應(yīng)的延遲性是正比關(guān)系，即粒度越粗糙，延遲性越長。但時鐘粒度并不是越小越好，就同等硬件環(huán)境而言，較小的時間粒度會導(dǎo)致系統(tǒng)開銷增大，降低整體吞吐率。

在Linux2.6內(nèi)核中，時鐘中斷發(fā)生頻率范圍是50~1200Hz，周期不小于0.8ms，對于需要幾十微秒的響應(yīng)精度的應(yīng)用來說顯然不滿足要求。而在嵌入式Linux系統(tǒng)中，為了提高整體吞吐率，時鐘頻率一般設(shè)置為100HZ或250HZ。

另外，系統(tǒng)時鐘負(fù)責(zé)軟定時，當(dāng)軟定時器逐漸增多時會引起定時器沖突，增加系統(tǒng)負(fù)荷。

（5） 虛擬內(nèi)存管理

Linux采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，進(jìn)程可以運行在比實際空間大得多的虛擬空間中。在分時系統(tǒng)中，虛擬內(nèi)存機制非常適用，然而對于實時系統(tǒng)這是難以忍受的，頻繁的頁面換進(jìn)換出會使得系統(tǒng)進(jìn)程運行無法在規(guī)定時間內(nèi)完成。

對于此問題，Linux系統(tǒng)提供內(nèi)存鎖定功能，以避免在實時處理中存儲頁被換出。

（6） 共享資源的互斥訪問差異

多個任務(wù)互斥地訪問同一共享資源時，需要防止數(shù)據(jù)遭到破壞，系統(tǒng)通常采用信號量機制解決互斥問題。然而，在采取基于優(yōu)先級調(diào)度的實時系統(tǒng)中，信號量機制容易造成優(yōu)先級倒置，即低優(yōu)先級任務(wù)占用高優(yōu)先級任務(wù)資源，導(dǎo)致高優(yōu)先級任務(wù)無法運行。

雖然從2.6.12版本之后，Linux內(nèi)核已經(jīng)可以在較快的x86處理器上實現(xiàn)10毫秒以內(nèi)的軟實時性能。但如果想實現(xiàn)可預(yù)測、可重復(fù)的微秒級的延時，使Linux系統(tǒng)更好地應(yīng)用于嵌入式實時環(huán)境，則需要在保證Linux系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改造。

來源：朗銳智科