《Linux内核实时性以及网络实时性的研究》 _LINUX内核

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[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

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。
具有丰富的实时API（Skin）。
广泛的硬件架构支持。
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。

Adeos 向域发出每一个外部中断；
Adeos 向域发出每一个系统调用；
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

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。
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。
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 XenomaiAdeos 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。
XtratuM 实时虚拟机

【《Linux内核实时性以及网络实时性的研究》】