CBS算法的RTAI內(nèi)核調(diào)度器設計

近年來基于雙內(nèi)核架構(gòu)增強Linux操作系統(tǒng)實時性的RTAI[1]（RealTime Application Interface）在工業(yè)控制等硬實時領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越多的應用。本文提出的調(diào)度器通過采用基于服務策略的CBS算法對RATI內(nèi)核下的EDF調(diào)度器進行擴展，可以保證分配一定的CPU資源供Linux上的軟實時應用，即使在有硬實時任務并發(fā)時也能得到處理器資源。實驗結(jié)果證明了基于CBS算法擴展RTAI內(nèi)核調(diào)度器的正確性。

關(guān)鍵詞 RTAI Linux CBS算法 內(nèi)核調(diào)度器

引言

　　嵌入式系統(tǒng)大多工作在有實時性要求的環(huán)境中，有些嵌入式設備可能需要軟件在ms級時間單位內(nèi)做出響應，而有些實時任務則要無任何延時地以幾ms的周期執(zhí)行，這就迫切需要一個功能強大、配置方便的實時操作系統(tǒng)來支持。一些商業(yè)的嵌入式實時操作系統(tǒng)（如Windows CE、VxWorks等）價格都比較昂貴，這就促使人們轉(zhuǎn)向了改造通用嵌入式操作系統(tǒng)，使其滿足實時性。這種改造要求源代碼必須開放，而Linux是嵌入式應用中的通用嵌入式操作系統(tǒng)，源代碼開放，滿足改造研究上的需求。

　　對Linux實時化改造的方案很多，主要有兩種：一種直接修改內(nèi)核，另一種是采用雙內(nèi)核機制。第一種方法只能用于軟實時應用，只有雙內(nèi)核架構(gòu)的方案可以保障硬實時應用的截止期不被錯過。但是，雙內(nèi)核架構(gòu)在軟、硬實時任務混合的應用環(huán)境中還存在一些問題。由于硬實時任務工作在RTAI實時內(nèi)核空間中，而軟實時任務工作在Linux內(nèi)核空間中，Linux作為優(yōu)先級最低的任務被頂層實時內(nèi)核調(diào)度執(zhí)行，在一段時間內(nèi)可以分配給軟實時任務的處理器時間依賴于RTAI硬實時應用對處理器帶寬的要求，而且在不同的時間段內(nèi)可用的處理器時間一般會有很大的不同。這就難以保障運行在Linux中的軟時應用達到預先設定的服務質(zhì)量水平。

1? 基于服務策略算法的實時調(diào)度器

　　針對雙內(nèi)核架構(gòu)下增強Linux實時性時存在的問題，本文提出一種實時調(diào)度器，采用基于服務策略的CBS算法對RTAI內(nèi)核下的EDF調(diào)度器進行擴展，保證在有硬實時任務的同時滿足Linux內(nèi)核空間下軟實時任務的周轉(zhuǎn)時間。

1.1? 實時調(diào)度器基于的CBS算法定義

　　為了縮短混合實時任務調(diào)度中軟實時任務的響應時間，以及減少軟實時任務錯失截止期，人們提出了多種軟實時任務的調(diào)度算法。典型的有基于服務策略的算法，又稱“帶寬預留算法”。該算法在保證硬實時周期任務滿足截止期的前提下，預留出適當?shù)奶幚砥鲙捵鳛榉掌鱽硖幚碥泴崟r任務，常用的算法有CBS、TBS算法等。服務策略的含義是： 服務器把到達的任務放入一個非優(yōu)先規(guī)則的隊列中，該隊列的第一個任務根據(jù)分配的截止期插入EDF調(diào)度隊列中，如果隊列的第一個任務被插入到調(diào)度隊列等待調(diào)度，則稱“服務器是合格的”，否則稱“服務器是不合格的”；如果隊列的第一個任務正在執(zhí)行，則稱“服務器為活動的”。下面給出了采用CBS算法時軟實時任務在不影響硬實時任務截止期的情況下是否可以調(diào)度的判別準則。

　　假定某一實時任務Ti的處理器帶寬記為（Ci,Pi），表示任務Ti在周期Pi內(nèi)最多占用Ci的處理器時間。定義實時任務Ti的處理器利用率為：

　　現(xiàn)假定系統(tǒng)中n個實時任務，記為{T1,T2,…,Tn}，對應著n個處理器帶寬參數(shù)，記為（Ci,Pi），其中i=1, 2,…,n。則此任務集可調(diào)度的條件為：

滿足上式時任務集是可調(diào)度的。其中Umax是EDF算法調(diào)度時CPU處理器利用率的最大值。

　　CBS算法步驟詳細定義如下：

　　①? 一個CBS服務器用預留執(zhí)行能力cs和有序?qū)Γ≦s，Ts）來表示。其中，Qs表示服務器的最大執(zhí)行能力補充值，Ts表示服務器周期。服務器帶寬Us=Qs/Ts。服務器截止期的初始值ds,0=0，而任意時刻，服務器的修正截止期ds,k和服務器相關(guān)聯(lián)。
　　②? 被服務器服務的任務（隊列的第一個任務）被分配一個動態(tài)截止期di,j，該截止期等于當前服務器截止期ds,k。
　?、??不管一個任務什么時候執(zhí)行，服務器的預留執(zhí)行能力cs都以相同的數(shù)量遞減。
　?、??當預留執(zhí)行能力cs遞減到零時，馬上被重置為最大執(zhí)行能力補充值Qs，同時產(chǎn)生新的服務器截止期ds,k+1=ds,k+Ts。
　?、? 在時刻t，如果存在一個服務的任務Ji,j(ri,j≤t≤fi,j)，那么稱“CBS處于活動狀態(tài)”，否則稱為“空閑狀態(tài)”。
　?、? 當一個作業(yè)Ji,j到達時，如果此時服務器處于活動狀態(tài)，那么任務的服務請求進入掛起任務隊列，此隊列需是非搶先原則的隊列（如先進先出隊列）。
　　⑦ ?當一個任務Ji,j到達，且服務器處于空閑狀態(tài)時，如果cs≥（ds,k-ri,j）Us，那么服務器產(chǎn)生一個新的服務器截止期ds,k+1=ri,j+Ts，并且把預留執(zhí)行能力cs重置為最大執(zhí)行能力補充值Qs，否則服務器使用當前的服務器截止期ds,k和當前的預留執(zhí)行能力cs來對任務進行服務。
　?、??當一個任務完成時，服務器利用當前的預留執(zhí)行能力和截止期繼續(xù)為掛起任務隊列中的任務服務。如果掛起任務隊列中沒有任務，那么服務器變成空閑狀態(tài)。
　?、??在任何時刻，服務器分配給任務的截止期為最后生成的服務器截止期。

1.2? EDF調(diào)度器的CBS算法擴展設計

1.2.1? EDF調(diào)度器的總體結(jié)構(gòu)設計

　　先引入一種“虛擬任務”的概念。所謂“虛擬任務”，就是指由RTAI底層實時小內(nèi)核按EDF算法直接調(diào)度執(zhí)行的一種特殊的硬實時任務，對應于Linux用戶空間的某一軟實時應用。其任務截止期由RTAI內(nèi)核下的CBS服務器計算得出。

　　本文將RATI內(nèi)核下的EDF調(diào)度器進行了以下擴展：

　?、? 在EDF調(diào)度層，仍然采用原RTAI內(nèi)核下調(diào)度器采用的EDF調(diào)度算法，對硬實時周期任務和虛擬任務集合進行調(diào)度；而CBS服務器則按一定的比例占用處理機時間，同時通過服務器接口與一個實時應用相對應，為其提供資源服務。
　?、??在服務器層有CBS服務器核和CBS服務器接口。

　　CBS服務器核的主要功能是根據(jù)傳入的相關(guān)調(diào)度信息維護底層實時小內(nèi)核中的可用CBS服務器隊列，在任務開始、掛起、終止等調(diào)度時執(zhí)行相應的事件處理函數(shù)來調(diào)整CBS服務器的屬性參數(shù)，實現(xiàn)CBS算法。

　　EDF調(diào)度器擴展如圖1所示。

圖1? EDF調(diào)度器擴展

　　在服務器接口中，由于硬實時任務工作在RTAI實時內(nèi)核下，而軟實時任務一般工作在Linux內(nèi)核下，因此服務器維護的虛擬任務為了與實際的實時任務建立對應，就需要一個接口來實現(xiàn)它們的映射關(guān)系。本文通過這個接口層來為Linux內(nèi)核中的實時任務和RTAI內(nèi)核下的虛擬任務提供映射實現(xiàn)。

1.2.2? EDF調(diào)度器擴展后調(diào)度主要算法步驟

　?、? 不同類型的新應用程序到達時，通過服務器接口層中的系統(tǒng)調(diào)用對其進行判別控制檢查，主要通過式（2）來進行。如果通過檢查，則說明調(diào)度新到達的應用程序不會影響硬實時任務的截止期。
　?、??通過判別檢查之后，CBS服務器為其創(chuàng)建一個與新應用程序?qū)奶摂M任務，并根據(jù)新應用程序傳入的調(diào)度參數(shù)和自己的調(diào)度策略，計算得到虛擬任務的任務截止期。如果此時服務器是活動的，將此新虛擬任務掛入服務器維護的先進先出隊列。取出服務器的先進先出隊列隊首虛擬任務，并根據(jù)任務截止期大小進入RTAI實時內(nèi)核的EDF就緒隊列；同時，新應用程序也加入到Linux內(nèi)核下相應的調(diào)度對象集合中，調(diào)度對象集合是一個由與新任務相匹配的具體調(diào)度器調(diào)度的集合，這個調(diào)度器基于某種調(diào)度算法，不是本文的討論重點，但是如果從整個系統(tǒng)的實現(xiàn)來說，這些都是必不可少的部分。本文重點實現(xiàn)的是RTAI內(nèi)核下對軟硬實時混合調(diào)度的支持。
　?、? 虛擬任務與RATI下的硬實時周期任務一起由EDF調(diào)度器統(tǒng)一調(diào)度分配。

1.3? EDF調(diào)度器的擴展實現(xiàn)

　　根據(jù)擴展設計方案，下面討論在對EDF調(diào)度器進行擴展時所涉及的關(guān)鍵問題及解決途徑。

1.3.1? EDF調(diào)度層擴展的關(guān)鍵問題

　　首先是實時內(nèi)核的虛擬任務和Linux用戶空間中的軟實時任務的映射問題。軟實時任務是運行在用戶空間的Linux進程中。它通過CBS服務器接口層中的新增系統(tǒng)調(diào)用rt_schedule_test()進入準入測試后，調(diào)用CBS服務器接口層的新增系統(tǒng)調(diào)用rt_create_virtual_task()創(chuàng)建虛擬任務，并且傳入軟實時應用的進程ID，應用調(diào)度器ID在虛擬任務結(jié)構(gòu)體中保存下來。當虛擬任務被EDF算法調(diào)度執(zhí)行時，它通過實時內(nèi)核中的軟中斷模擬機制保存對應的進程ID，應用調(diào)度器ID到中斷暫存表，然后調(diào)用rt_switch_to_linux切換到Linux內(nèi)核。Linux內(nèi)核通過應用調(diào)度器ID找到調(diào)度器，將要調(diào)度執(zhí)行的進程ID傳給此調(diào)度器，由調(diào)度器調(diào)度此進程執(zhí)行，這就實現(xiàn)了虛擬任務與軟實時應用的對應。

1.3.2? 服務器核實現(xiàn)的關(guān)鍵問題

　　①? 為減少系統(tǒng)中的全局數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)種類，虛擬任務與實時任務使用同樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。為此，修改了RTAI的實時任務的rt_task_struct結(jié)構(gòu)定義：添加了與虛擬任務相關(guān)的屬性，如對應的具體軟實時任務的ID、軟實時任務調(diào)度器ID、任務截止期和指向CBS服務器的指針；定義了服務器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體rt_CBSServer，屬性參數(shù)有服務器的預留執(zhí)行能力計算值、已使用的服務器預留的計算值、周期、開始時間、截止時間以及服務器先進先出隊列VTQueue。
　?、??CBS服務器算法的實現(xiàn)。CBS服務器算法需要在虛擬任務到達事件、虛擬任務完成事件以及服務器預留執(zhí)行能力耗盡事件發(fā)生時刻，及時對服務器的相關(guān)屬性和虛擬任務屬性進行調(diào)整，特別是虛擬任務的截止期和服務器的截止期。

　　下面介紹基于服務策略的CBS算法的偽代碼實現(xiàn)。

　　虛擬任務到達事件發(fā)生時的處理：

if（虛擬任務到達事件發(fā)生） {
　　把該虛擬任務加入到服務器的先進先出隊列；
　　N=N+1；//服務器的先進先出隊列任務數(shù)加1
　　if（此時服務器空閑&&N==1） {
　　　　if(c>=(dk-rj)Us) {
　　　　　　ak=rj;
　　　　　　dk=ak+Ts;
　　　　　　c=Qs;//計算服務器預留執(zhí)行能力和截止期
　　　　}
　　　　else{
　　　　　　ak=rj;
　　　　　　dk=dk-1;//設置截止期
　　　　}
　　}
}

　　虛擬任務完成事件發(fā)生時的處理：

if(任務完成事件發(fā)生) {
　　從EDF調(diào)度器就緒任務隊列和服務器先進先出隊列中刪除該虛擬任務；
　　N=N-1;
　　if（N!=0）{
　　　　利用當前的服務器截止期dk調(diào)度服務器先進先出任務隊列中的下一個任務到EDF調(diào)度器就緒隊列中；
　　}
　　if（任務執(zhí)行了一個時間片） {
　　　　c=c-1;//服務器預留執(zhí)行能力減1
　　}
}

　　服務器預留執(zhí)行能力耗盡事件發(fā)生時的處理：

if（服務器執(zhí)行能力==0） {
　　dk=dk-1+Ts;
　　c=Qs;//計算截止期,并補充預留執(zhí)行能力
}

其中，dk為服務器的截止期；ak表示服務器下次執(zhí)行的起始時刻；rj表示任務到達時刻；c表示服務器剩余執(zhí)行能力。Qs和Ts分別為CBS的最大容量預算補充值和周期；Us是這個服務器的利用率。

1.3.3? 服務器接口實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

　　該層主要在RTAI內(nèi)核下增加一些新的系統(tǒng)調(diào)用供Linux內(nèi)核使用。

　　rt_create_virtual_task()： 創(chuàng)建虛擬任務。首先在系統(tǒng)內(nèi)存中為服務器分配所需的內(nèi)存空間；然后根據(jù)傳入?yún)?shù)填寫rt_task_struct{}結(jié)構(gòu),特別是與服務器相關(guān)的幾種變量值；最后將其放入系統(tǒng)任務隊列中。

　　rt_schedule_test()： 對新到來的應用進行準入測試。主要是通過CBS算法進行測試，如果不能通過準入測試，則失敗退出；否則調(diào)度rt_create_virtual_task()創(chuàng)建虛擬任務，將任務掛入相應的服務器隊列中，等待調(diào)度。

　　rt_delete_VTtask()： 在Linux內(nèi)核下可調(diào)度這個函數(shù)來實現(xiàn)對RTAI內(nèi)核下的虛擬任務的刪除。

2? 驗證

　　本文通過在硬件配置為CPU AMD Duron 1.10G、256 Mb內(nèi)存，操作系統(tǒng)為Fedora core5、編譯器為gcc的環(huán)境下分兩次安裝RTAI內(nèi)核包（分別為EDF調(diào)度器擴展前和擴展后），對軟硬實時任務并發(fā)時軟實時任務的周轉(zhuǎn)情況進行記錄并進行分析。軟實時任務采用Linux操作系統(tǒng)下的多媒體播放器，硬實時任務采用通過編程實現(xiàn)的周期性實時計算任務，運行周期為10 ms。硬實時負載由編程實現(xiàn)的硬實時負載程序精確得到，本實驗中進行了3種負載的測試，分別為輕負載、中度負載和重負載。

　　多媒體播放器是否正常播放可用下式衡量：

式中： ei為第i幀圖像數(shù)據(jù)解碼時產(chǎn)生的時間偏差，ti為第i幀圖像解碼完成時刻，ti-1為第i-1幀圖像解碼完成時刻，40 ms是正常情況下MPEG4相鄰幀圖像的標準解碼時間間隔。若時間偏差小于或等于0，則mplayer可正常播放；否則，將出現(xiàn)圖像抖動和斷續(xù)現(xiàn)象，偏差越大，異常越明顯。本實驗主要分析了時間偏差大于0時的情況。

　　使多媒體播放器運行大于30 s的時間，獲取750幀的數(shù)據(jù)。分別得到的EDF調(diào)度器擴展前和擴展后的實驗數(shù)據(jù)，如表1和表2所列。

表1? EDF調(diào)度器擴展前Linux調(diào)度下的多媒體播放器播放情況

表2? EDF調(diào)度器擴展后Linux調(diào)度下的多媒體播放器播放情況

　　對表1和表2中的數(shù)據(jù)進行分析。在輕度負載0.3時，時間偏差10 ms以下的幀數(shù)占總幀數(shù)的累計百分比基本相同，分別為99.6%和99.7%；說明對EDF調(diào)度器進行擴展前后，對多媒體播放器播放效果基本沒有差別。在中等負載0.53時，擴展前播放器解碼時間偏差在20 ms以下的幀數(shù)占總幀數(shù)的44.65%，播放效果出現(xiàn)異常，人眼能感覺到；擴展后，偏差在20 ms以下的幀數(shù)占總幀數(shù)的99.82%，人眼不容易覺察播放的異常。在重負載0.81下，擴展前時間偏差在20 ms以下的幀數(shù)占總幀數(shù)的0%，也就是說時間偏差都會大于20 ms，這樣每一幀圖像數(shù)據(jù)很大程度上將被延遲播放；擴展后時間偏差在20 ms以下的幀數(shù)占總幀數(shù)的99.57%，仍然可以滿足播放器的播放效果。

3? 結(jié)論

　　本文提出的基于CBS算法的EDF調(diào)度器，實現(xiàn)了RTAI實時內(nèi)核的資源預留，可為Linux內(nèi)核空間下的軟實時應用保留一定的處理器帶寬，較好地解決了雙內(nèi)核架構(gòu)下軟實時和硬實時混合的應用環(huán)境中軟實時應用因錯過截止期得不到響應的問題。本文重點討論了對RTAI下的EDF調(diào)度器在CBS算法上的擴展實現(xiàn)，而Linux內(nèi)核空間下的應用調(diào)度器針對不同的軟實時應用算法也很多，且軟實時任務之間的相互依賴關(guān)系本文也沒有考慮。這些是今后工作中著重研究并加以解決的問題。李蘭英(副教授)，主要研究方向為工業(yè)企業(yè)自動化、計算機控制和嵌入式系統(tǒng)。