41、实时Linux内核需求与实现路径解析

实时Linux内核需求与实现路径解析

1. 实时内核的常见要求

实时意味着能够及时且恰当地处理内部和外部事件。一个软件系统要成为实时系统，需满足以下详细要求：
- 细粒度可抢占内核
- 抢占粒度与调度延迟 ：实时内核需尽快从低优先级任务切换到高优先级任务。切换所需时间为抢占粒度，等待重新调度的最长时间为最坏情况下的调度延迟。
- Linux 2.4 系列的改进 ：Linux 2.4 系列的不同补丁引入了内核代码中的任务调度机会。此前，新任务只能在内核上下文退出时调度。
- 可抢占内核支持 ：Robert Love 在 Montavista 时提出的可抢占内核支持，在 Linux 2.5 开发阶段合并到主线内核，成为 Linux 2.6 的标准特性，平均抢占性有显著提升。但当系统中任何任务持有独占资源时，内核抢占全局禁用，导致平均延迟有改善，最坏情况延迟仍不满足硬实时要求。可以用交通类比来理解，一个城市（Linux 内核）的单个交通灯（抢占禁用锁）会在任何车辆（任务）经过十字路口（独占资源）时阻挡所有车辆。解决此限制的方法是让每个独占资源的获取和释放相互独立，这也是 PREEMPT_RT 努力的一个基本方面。
- 严格执行任务优先级
即使有细粒度可抢占内核，被抢占的低优先级任务可能长时间持有独占资源，导致请求相同资源的高优先级任务严重延迟，即优先级反转。由于 Linux 内核中独占资源广泛分布，遇到优先级反转的概率较高。可通过优先级继承或优先级天花板等操作系统技术解决，确保反