基于Linux的实时操作系统二(组图)

　　RED-Linux调度程序的框架结构如图 2所示：
　　
　　图 2 RED-Linux调度框架
　　　
　　RED-Linux的调度程序由两部分组成，其中Schedule Allocator初始化到来的job中的属性值；Schedule Dispatcher根据job的属性值选择一个job进行执行；
　　
　　3.4. Linux/RK
　　
　　Linux/RK 由卡内基梅隆大学实时和多媒体系统实验室所开发[RKWeb][ Oikawa98]。它是该实验室资源内核（Resource Kernel）[Rajkumar98]思想在Linux系统中的具体实现。他们最先在RT-MACH中实现了资源内核的思想，后来又用资源内核的思想对 Linux进行了修改。资源内核的概念是网络中资源预留思想在操作系统领域的扩展，应用程序先向操作系统请求预留资源，而操作系统内核在给应用进行资源预留，并能给应用提供有及时的、保证的资源访问。
　　
　　资源内核中有两个基本的概念：资源预留和资源集。一个资源预留代表一份计算资源，这个资源可以是CPU、内存、磁盘、网络带宽等。在内核中，一个资源预留有对应的描述它的数据结构，而一个资源集指一组资源预留的集合。一般情况下我们将某一个应用程序所请求的所有资源预留组合在一起组成一个资源集，这样方便管理和分配。
　　
　　Linux/RK增强了普通Linux内核的功能，从而使Linux内核可以提供对于系统中各种计算资源的准入控制、资源预留和统计管理。Linux/RK由两部分组成：普通的Linux内核以及可移植的资源内核；这两个部分之间通过回调钩子函数（Callback hooks）进行交互。类似于RT-Linux，为了防止Linux内核中的封中操作以及提高调度精度，Linux/RK也截取系统中的中断，并提高了系统时钟频率，只有在需要的时侯才将中断送给Linux内核。另外它使用Proc文件系统来显示资源预留和使用的情况；
　　
　　3.5. Qlinux
　　
　　Qlinux是由AT&T、德州大学分布式多媒体计算实验室和马萨诸塞大学高级系统软件实验室联合开发出来的一种软实时(soft real-time)核心[QLinuxWeb]。它能够为实时多媒体应用提供QoS支持。
　　
　　QLinux实现了近年来操作系统领域内一些最新的研究成果，包括：
　　
　　- H-SFQ资源调度算法（Hierarchical Start-time Fair Queuing）[Goyal96]；
　　
　　- 网络包的延迟处理技术（Lazy Receiver Processing:LRP）[Druschel96]；
　　
　　- Cello磁盘调度算法[Shenoy98]；
　　
　　图 3 QLinux系统结构
　　　
　　H- SFQ资源调度算法由由德州大学的Pawan Goyal等人提出，它采用了一种分级调度的思想，先将资源在不同的应用类别之间进行按比例分配，并在应用类别之间提供对于资源使用的隔离，同时在每一个应用类别中还可以使用不同的资源调度算法。这样做的目的是为了在多媒体系统中提供QoS支持。
　　
　　LRP技术是一种新颖的设计OS网络子系统的思想，它由Rice大学计算机系的Peter Druschel等人提出，其目的是为了解决普通Unix和类Unix系统中网络包接收的问题。
　　
　　传统的Unix系统没有对到来的网络包的协议处理的显式调度，它们一般采用中断驱动的机制。当网卡有中断时，CPU就立刻进行一系列由网卡中断程序启动的包接收和协议处理操作，将最终的数据送给等待接收的进程，并唤醒该进程。但这种处理方式会影响应用程序资源调度的性能，并在系统处于过载状态时可能会引起一些应用层任务的饥饿，降低网络吞吐率，甚至会让系统没有响应。为了解决这些问题，LRP的核心思想就是每一个Socket有一个IP包的队列，只有当上层应用程序请求数据时才进行协议处理，同时对协议处理操作以请求数据的应用的优先级进行显式的调度。通过这种途径增强了资源调度的公平性，能够提供一定程度的流量隔离，同时能够提高系统过载状态时的吞吐量。
　　
　　Cello磁盘调度算法由德州大学Prashant J. Shenoy等人提出。它能够支持多种应用类别，比如：交互式尽力而为应用、大吞吐量尽力而为应用、以及软实时应用等类别，并公平地给各个类别的应用分配磁盘访问带宽。
　　
　　在结构上Cello磁盘调度采用的是一种两级式的调度方式，它由多个与应用类别相关的调度器以及一个与应用类别无关的调度器组成（如图 4所示）。
　　
　　图 4 Cello磁盘调度
　　　
　　Cello 调度算法中应用类别无关的调度器管理时间上粗粒度的磁盘的调度，而应用相关的调度器控制着小粒度上磁盘调度。如上图中有n个应用类别，Cello使用一个应用无关的调度器C和n个类别相关的调度器，系统中有n+1个调度队列。类别无关的调度器C决定你了何时以及多少磁盘请求被从等待队列（pending queue）移到调度队列（scheduled queue）；类别相关的调度器Si对等待队列中的请求进行排序，并根据调度队列的状态来决定磁盘请求被插入到调度队列的什么位置。
　　
　　3.6. Linux-SRT
　　
　　Linux -SRT是剑桥大学David Ingram的博士论文项目[SRTWeb][Ingram00]，基本上是一个实验性的东西，自从Ingram在2000年从剑桥毕业以后，该项目就再没有人维护。跟QLinux一样，Linux-SRT属于软实时的Linux。
　　
　　在Linux-SRT中可以给一个任务分配一定百分比的CPU时间，它通过RM算法实现了一种基于速率的调度机制来保证给所有多媒体应用的QoS需求；另外由于CPU并非唯一影响多媒体应用的资源，对于那些做图形显示的应用，X服务器中的资源调度也十分关键，所以Linux-SRT对XFree86最了扩展，让X服务器可以对来自不同X客户的图形显示请求进行优先级排序；另外为了方便用户管理各个进程的CPU分配情况，Linux-SRT提供了一个图形界面的程序。下面对于Linux-SRT 对于普通Linux所作的修改做一具体说明。
　　
　　Linux-SRT也提高了系统的定时精度。但它并没有采用惯用的将时钟芯片置于单次触发模式的做法，而是简单地修改了Linux内核中HZ的定义，将Linux的时钟频率由每秒100次提高到了1024。
　　
　　另外Linux-SRT在原有的Linux系统中的SCHED_OTHER、SCHED_FIFO、SCHED_RR这三个调度策略的基础上，给Linux 增加了一些新的调度策略：SCHED_PAUSE、SCHED_IDLE、SCHED_QOS、SCHED_VAR；策略为SCHED_PAUSE的进程在调度时被调度程序忽略，不参与调度执行；使用SCHED_QOS调度策略的进程能够得到有保证的CPU执行时间；使用SCHED_IDLE策略的进程优先级最低，它被分配给那些只在系统空闲时才能够被调度执行的进程，比如一些批处理程序；SCHED_VAR是一个可变优先级的策略，它被用于解决由于临界资源访问时所产生的优先级倒置问题，即一个高优先级的任务等待低优先级任务占用的某种临界资源，但低优先级任务又得不到CPU处理时间所造成的死锁问题；这时通过该调度策略将低优先级任务的优先级置为等待资源的高优先级任务的优先级（优先级继承）来解决死锁问题。
　　
　　对于使用SCHED_QOS调度策略的实时任务，采用RM静态优先级调度算法进行调度；另外在进行调度时，它还采用了一种双调度策略的方案，即当一个实时任务在当前的调度周期中用完自己所有的时间片之后，在下次调度周期到来之前，并非简单地不调度执行它，而是使用它进程属性中的Fallback policy所定义的调度策略来调度它，让它以该策略参与本轮的剩余时间的调度。
　　
　　Linux-SRT按照POSIX推荐的方式扩展了传统的几个用户设置进程调度属性的系统调度，让用户或者编程人员可以在后向兼容的情况下使用这些新添加的调度特性。另外为了使用的方便，它还提出了reserve的概念，一个reserve在/proc文件系统中有一个结点，它包含有关资源分配的情况；reserve独立与进程，一个进程可以通过新增加的reserve相关的系统调用申请加入（使用）或退出一个reserve。
　　
　　3.7. Hard-hat Linux
　　
　　Hardhat Linux是MontaVista公司所发布的一款主要面向各种嵌入式应用的Linux发布[HardHatWeb][Morgan01]。Hard- hat Linux最大的贡献在于：为了解决Linux在内核态不可被抢占的问题，它开发了一种抢占式（Preemptible）的内核，有人认为它的这种方法充其量也就是一种能够被抢占（Preemptable）的内核。
　　
　　其基本思想就是让调度程序获得更多的执行机会，从而减少了从一个事件发生到调度程序被执行的时间间隔。可抢占内核的补丁包修改了spinlock的宏定义以及中断返回处理代码，当当前进程可以被"安全"地抢占并且有一个等待处理的重新调度请求，系统就会调用调度程序进行进程调度。
　　
　　那么什么情况下可以认为一个进程可以被"安全 "地抢占？最早的Linux内核代码认为，一旦进入内核态执行，不管是由于陷入（trap）还是中断处理，当前执行进程都不会被切换，直到内核认为可以安全地进行重新调度为止。这种思想可以使得内核代码对一些数据结构进行操作时比较简单，即不需要使用互斥原语（比如旋转锁spinlock）进行数据的修改保护就可以安全地存取数据。但随着内核源代码的发展，不使用保护机制的内核数据访问代码越来越少，所以在抢占式内核中，认为如果内核不是在一个中断处理程序中，并且不再spinlock保护的代码中，就认为可以"安全"地进行进程切换。
　　
　　抢占式内核对普通Linux内核作了如下的一些修改：
　　
　　抢占式内核给task struct数据结构增加了一个数据项：preempt_count。该数据项由宏preempt_disable()、preempt_enable ()、以及preempt_enable_no_resched()所使用。preempt_disable对preempt_count计数进行递增， preempt_enable对preempt_count进行递减。preempt_enable宏查看当前进程的preempt_count和 need_resched域的内容，如果 preempt_count为0并且need_resched为1，则调用preempt_schedule()函数。该函数将给当前进程的 p