嵌入式 Linux 系统怎样保证实时性

By Falcon of TinyLab.org 2015/7/14

简介

简单来说，可以根据实时需求选择不同实时 Linux 方案，然后在选定方案上针对特定需求做进一步的优化。

明确需求

首先看具体使用环境，确定是硬实时环境（Safety-Critical，低延时，比如几十个us内）还是软实时（几百个us~几个/几十个ms)，还是普通的低延迟桌面（几个ms到几百个ms）等？

比如说有航天飞控、汽车制动系统、动力传输解决方案、精密仪器等都有较高的硬实时要求，硬实时通常跟高确定性、可靠性要求同时出现，如果达不到，可能会造成重大生命或者财产损失。

而普通的，比如音视频播放、游戏画面，对于实时性要求相对较低，只要达到播放的 Frame Rate 就好，比如说有的视频播放 24 个 FPS，而游戏 40~60 FPS 就很流畅，几乎感觉不到卡顿，也就是 16.6 ms。

而桌面交互应用点击、网页加载、应用启动这类则没有那么高的要求，通常在 100ms 以内，加上过度动画，就会有很好的体验效果。

对于软实时，可靠性要求没那么高，即使出现了延迟，造成的损失可控，比如说音频失真，视频过度不自然或者是交互不顺畅。而硬实时领域，通常一旦出现延迟，造成的损失可能不可估量，所以要求有比较高的可确定性。

可选方案

Linux 本身已经有硬实时的方案，比如来自风河的 RT Linux，或者西班牙一家研究所的 XtratuM + PartiKle，还有其他的比如 Xenomai，RTAI 等。另外，内核官方还有完全抢占内核（Preempt-RT Linux）的支持，这个在某些情况下也达到了硬实时要求，比如我 09 年移植的 MIPS 实时抢占 Linux 在 Loongson-2F 上的 Latency 已经达到 100us 左右，看图：

原图地址：Latency plot of Loongson Real Time Linux system in OSADL

注：这个机器（龙芯 2F 盒子）是笔者的奥地利导师 09 年带到欧洲某实验室的，放在那里跑了几年，实时性一直都很稳定，笔者当时移植最早的一版是 linux-2.6.26.8-rt16，现在都支持：Linux 3.12.24-rt38 了。

如果要求再低一些，用内核里头的其他抢占选项就可以。

然后就是各种优化，包括驱动（irq, preempt disable), spin lock 等使用，中断函数线程化，mdelay 优化等。

优化时需要用到很多工具，比如 Ftrace, Perf, Cyclictest, Oscilloscope 等。

需要提到的是，除了系统以外，硬件本身的低延迟设计、可靠性设计等也会严重影响系统的实时性，所以在选择方案时一定要兼顾考虑这部分，比如说 ARM Cortex A/R/M 三系中的 R 就是专为高端嵌入式实时系统设计的，比如说在中断行为方面做了优化。这里不做深度展开。

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相关资料

• Linux 官方 Real Time Wiki
• 嵌入式 Linux Wiki 中的 Real Time 部分