第二章 实时系统的相关研究
尽管现在的操作系统变得种类繁多，但是UNIX及其兼容的系统仍然是工业和学术领域标准的操作系统。一些非UNIX系统，比如Windows NT，也是与POSIX.1003标准兼容，这个标准无疑是基于UNIX。这个系统的成功是由于它的开放性、稳定性和事实的标准。随着POSIX1003.1b实时扩展标准的发布，UNIX有机会成为分布最广泛的实时处理平台。Linux作为一个类UNIX的系统，凭借其开放源码的优势，获得越来越广泛的应用。
由于以上的原因，在这一章我将集中讨论与Linux相关的实时系统。我将讨论在Linux上进行实时运算的问题，和在一些系统中如何解决这些问题。
2.1 LINUX的分时特性
UNIX最初是作为一个分时系统设计的[17]。LINUX作为UNIX的克隆，很多当前的实现中仍然保留了这些特点。它们力争最优的平均性能。这个目标通常与实时系统的低延迟和高可预言的要求相勃的。为了说明这个问题，让我们考虑一个通过扬声器发声的程序（程序2.1）。
#define DELAY 10000
main()
{
int i;
while (1) {
for (i=0;i
图2.1 异步中断和中断响应时间
中断响应时间并不是一个常量。它与操作系统和硬件平台有关。要测量精确的关闭中断的时间，并不是通过上面的定义来进行。因为从中断到来到当前任务停止属于中断延迟时间。在Linux中，内核或驱动程序显式地关/开中断，一般是通过调用__cli()/__sti()来进行操作。中断延迟程序计算一对__cli()/__sti()调用之间的时间。在调用__cli()时，记录系统时间值，读出__sti()被调用时的系统时间值。他们之间的时间差就是关中断时间。Linux下的关中断时间如图2.2所示：
关中断时间测试程序重新写了__cli()/__sti()宏，以允许记录调用它们的文件以及在何处调用。记录这些信息以分析在Linux中那些关中断时间是比较长。（中断测试程序的代码在附录A）
我对Linux进行了大约3个小时的测试，测试的结果如表。在测试中运行一些程序，其中包括一个磁盘循环拷贝程序，打开一些应用程序。可以发现系统负载比较重时，系统的页面调度花了比较多的时间，将近500微秒。表2.1表2.2是统计结果。
图2.2 关中断时间
表2.1 中断关闭时间直方图
表2.2 中断关闭时间概率密度函数直方图
可以看出在我的测试系统中系统中断关闭时间最大达到496微秒，一般中断关闭时间是在250微秒到300微秒左右。这次测试并没有进行所有情况下的测试，从这些结果我们就可以看出： Linux的系统设计人员采用分时的调度、低的计时分辨率、非占先式内核、关中断和虚拟内存是造成系统关中断时间过于长的原因。
2.2.2 上下文切换测试
上下文切换时间是保存一个进程状态，然后恢复另外一个进程状态的时间。我写了一个测试程序来测试这个时间（程序见附录B）。程序运行时，根据输入的参数来决定创建多少个进程。所有的进程用一个环形的UNIX管道连接。程序中实现一个令牌在这些进程之间传递，迫使进行进程间的上下文切换。程序记录在进程间传递令牌2000次所花的时间。每一次令牌的传递有两个开销：上下文切换开销和令牌传递开销。程序首先计算令牌在环形管道中传递的开销，在输出的结果已经除去了这部分开销。
为了计算更真实的切换时间，我加入了人为的数据在里面，进程切换时间包括保存用户级数据状态的时间。测试的结果在表2.3所示，Y轴表示切换时间，X轴表示进程数目，size表示进程的大小。
从结果看，进程的随着进程的大小变化，切换时间在增加，在16k以内增加幅度不大，是因为此时进程的大小还没有超出一级缓存的大小，超过16k时，增加幅度比较大，进程大小达到64k时，切换时间达到300微秒。Linux切换时间过于大的原因是系统保存了过于多的状态。在上下文切换过程中，系统是关中断的，意味着此时的系统关中断时间超过300微秒。对于实时应用来所是不能接受的。
表2.3 上下文切换时间
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