嵌入式Linux在通信行业的改造和应用

摘　要：为了使Linux适用于高实时性、高负荷和高稳定性要求的通讯设备，必须对Linux内核做出相应的修改。本文主要致力于提高Linux实时响应速度的研究工作，通过应用新的调度机制，调整任务运行空间，以保证任务在设备上高效的运行，达到高数据量的通讯要求。

关键词：Linux；实时；通信
引言
　　Linux作为一款开放源码的操作系统，正好可以弥补商用操作系统带来的一系列缺陷。但是Linux主要面对的是桌面计算机，在应用于嵌入式系统时有一些不能接受的缺陷，为了使Linux适用于高实时性、高负荷和高稳定性要求的通讯设备，必须对Linux内核做出相应的修改。
1  操作系统实时调度的基本概念
　　实时调度是实时系统的时间确定性和可预测性的保证。实时调度的核心是资源分配，即如何分配资源以保证每个实时任务在正确的时段产生正确的输出。在这里，资源主要指处理器时间资源，合理地分配时间资源就是合理地安排就绪任务的运行顺序。
　　实时调度分为两个阶段，第一阶段是确定每个就绪任务在就绪队列中的位置，第二阶段是在任务切换时，使就绪队列中的第一个任务获得处理器。这一过程由操作系统实时调度机制实现。
　　Linux的调度机制对实时任务的支持很差，这在通信系统中是不能接受的。因为Linux具有源代码开放等优点，所以对Linux内核的实时调度机制进行改造具有重要的意义。
2 Linux内核实时性改造系统设计
　　Linux内核实时性改造方案，包括对内核的调度机制的修改、加入可抢占机制，并提供一套运行于内核空间的线程管理机制、信号量机制。线程管理模块和信号量管理模块统称为强实时内核线程管理模块，简称KTH（Kernel Thread）。以此来大幅度提升Linux的实时性能，满足于通信设备的实时需求。
　　我们对Linux标准内核的改造将使用基于优先级的调度策略+抢占内核＋内核线程模块的方案，如图1所示。
　　调度器修改思路为：不再使用Linux标准内核基于“公平”的调度策略，采用可抢占式的调度原则，优先级作为调度的唯一标准。高优先级的任务可直接抢占CPU，让低优先级任务退出运行状态；增加Linux特有的优先级数，从Linux标准内核的99级增加到256级；每个优先级下面挂一个就绪队列，采用位图算法挑选最高优先级的就绪任务运行。
　　
　　图1 Linux内核实时改造方案
3 基于优先级的任务调度实现
　　基于优先级调度的系统中，任务的优先级决定了同一处理器上任务相对的重要程度。处于同一优先级的任务数没有限制。改进过的Linux实时内核为每个优先级维护一个FIFO的就绪队列，共256个。所有队列的链表控制结构组成一个数组，每当新的任务产生，系统将其插入到相应的就绪队列末尾等待调度。
　　Linux实时内核总是调度就绪状态任务中优先级最高的任务来运行，如果有几个相同优先级的任务处于就绪状态，则调度最先进入就绪状态的任务运行。调度函数首先通过位图算法找到最“适合”被调度的函数，然后进行堆栈切换，使具有高优先级立刻抢占CPU运行。任务调度器的运行流程如下：
　　Void Schedule(void)
　　{
　　………..
　　Y = UnMap(BitTblSign)；
　　X = UnMap(BitTbl.计算机研究与发展，2002，39(4):466一472.