单片机/嵌入式系统实时性的问题解析

1 前言

最近有一组学弟学妹问我一个问题，他们做的飞控系统，实时性总是达不到标准，来问我是怎么回事。
这涉及到了单片机/嵌入式系统实时性的问题，学长在这做一个系统性的解答。
2 单片机和嵌入式

说实话，关于它俩的区分，没有人可以给出一个标准的、正确的答案。每个人理解的单片机与嵌入式系统，都是略有差别的。
抛开硬件，从应用程序开发的角度来看，我是这样来理解的：

• 单片机：可以直接使用状态机来实现程序框架，也可以利用一些 RTOS(ucOS、FreeRTOS、vxWorks、RT-Thread)等来完成一些调度功能。
  
• 嵌入式系统：利用嵌入式 Linux 操作系统以及一些变种来编写应用程序。
  

我知道自己的理解可能是不对的，至少不严谨、范围狭隘，既然没有标准答案，那姑且引用维基百科中的定义吧，毕竟概念是死的，更重要的是我们如何根据实际的需要来进行选择。
2.1 单片机

单片机，全称单片微型计算机(single-chip microcomputer)，又称微控制器单元 MCU(microcontroller unit)。
把中央处理器、存储器、定时/计数器、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器;
2.2 嵌入式系统

嵌入式系统(Embedded System)，是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。
嵌入式系统常被用于高效控制许多常见设备，被嵌入的系统通常是包含数字硬件和机械部件的完整设备，例如汽车的防锁死刹车系统。
现代嵌入式系统通常是基于微控制器(如含集成内存和/或外设接口的中央处理单元)的，但在较复杂的系统中普通微处理器(使用外部存储芯片和外设接口电路)也很常见。
2.3 嵌入式Linux

嵌入式Linux(英语：Embedded Linux)是一类嵌入式操作系统的概称，这类型的操作系统皆以Linux内核为基础，被设计来使用于嵌入式设备。
与电脑端运行的linux系统本质上是一样的，虽然经过了一些功能上的裁剪，但是本质上是一样的，主要利用 Linux 内核中的的任务调度、内存管理、硬件抽象等功能。
2.4 RTOS

实时操作系统(RTOS)，又称即时操作系统，它会按照排序运行、管理系统资源，并为开发应用程序提供一致的基础。
实时操作系统与一般的操作系统相比，最大的特色就是“实时性”，如果有一个任务需要执行，实时操作系统会马上(在较短时间内)执行该任务，不会有较长的延时。这种特性保证了各个任务的及时执行。
3 系统实时性：非实时、软实时、硬实时

首先要明白什么叫实时性?
实时性考虑的不是速度、性能、吞吐量，而是确定性，也就是说：当一个事件发生的时候，可以确定性的保证在多长时间内得到处理，只要能满足这个要求，就可以成为硬实时。比如：
操作系统1：当中断发生时，可以保证在 1 秒内得到这里，那么它就是硬实时系统，虽然响应时间长，但它是确定的;
操作系统2：当中断发生时，几乎都可以在 1 毫秒内完成，那么那就不能成为硬实系统，虽然响应时间短，但是它不确定。
也看到有文章说：应该取消软实时这个模棱两可的说法，要么是实时，要么是非实时!
操作系统包含的功能很多：任务调度、内存管理、文件管理等等，其中最核心的就是任务调度，这也是非实时、软实时、硬实时的最大区别。
也就是说，衡量实时性的指标就是：

• 中断延时：一个外部事件引发的中断发生时，到相应的中断处理程序第一条指令被执行时，所经过的时间;
  
• 任务抢占延时：当一个高优先级的任务准备就绪时，从正在执行的低优先级任务中抢夺 CPU 资源所经过的时间;
  

不同的操作系统，其任务调度机制也是不一样的，而这个调度机制的策略，又是与实际的使用场景相关的。因此，并不存在哪个好、哪个不好这样的说法，合适的就是最好的!
比如：我们的桌面系统，需要考虑的是多任务、并发，需要同时执行多个程序，哪个程序慢一点，用户无所谓，甚至觉察不到;但是对于一个导弹控制系统，当一个外部传感器输入信号，触发一个事件时，对应的处理必须立刻执行，否则耽搁 1 毫秒，结果可能就是差之千里!
4 x86 Linux 系统的调度策略

我们日常使用的 PC 机，它的主要目标是并行执行多任务，强调的是吞吐率(尽可能多的执行很多应用程序的代码)，因此，采用的是分时操作系统，也就是每个任务都有一个时间片，当一个任务分配的时间片用完了，就自动换出(调度)，然后执行下一个任务。
我们平常在写 x86 平台上写普通的客户端程序时，很少需要指定应用程序的调度策略和优先级，使用的是系统默认的调度机制。反过来说，也就是在某些需要的场合下，是可以设置进程的调度策略和优先级的。
例如在 Linux 系统中，可以通过 sched_setscheduler() 系统函数 设置 3 种调度策略：

• SCHED_OTHER: 系统默认的调度策略，计算动态优先级(counter+20-nice)，当时间片用完之后放在就绪队列尾;
  
• SCHED_FIFO: 实时调度策略，根据优先级进行调度，一旦占用CPU就一直执行，直到自己放弃执行或者有更高优先级的任务需要执行;
  
• SCHED_RR: 也是实时调度策略，在 SCHED_FIFO 的基础上添加了时间片。在执行时，可以被更高优先级的任务打断，如果没有更高优先级的任务，那么当任务的执行时间片用完之后，就会查找相同优先级的任务来执行。
  

4.1 为什么 说Linux 系统是软实时的?

可能有小伙伴会有疑问：既然 Linux 系统中提供了 SCHED_FIFO 基于优先级的调度策略，为什么仍然不能称之为真正的硬实时操作系统?这就要从 Linux 的发展历史说起了。
Linux 操作系统在设计之初，就是为了桌面应用而开发的，在那个时代，多个终端(电传打字机和屏幕)连接到同一个电脑主机，需要处理的是多任务、并行操作，并不需要考虑实时性，因此，在 Linux 内核中的一些基因，严重影响了它的实时性，例如有如下几个因素：
(1) 内核不可抢占
我们知道，一个应用程序在执行时，可以在用户态和内核态执行(当调用一个系统函数，例如：write 时，就会进入内核态执行)，此时任务是不可抢占的。
即使有优先级更高的任务准备就绪，当前的任务也不能立刻停止执行。而是必须等到当前这个任务返回到用户态，或者在内核态中需要等待某个资源而睡眠时，高优先级任务才可以执行。
因此，这就很显然无法保证高优先级任务的实时性了。
(2) 自旋锁
自旋锁是用于多线程同步的一种锁，用来对共享资源的一种同步机制，线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行，因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁，线程会一直保持该锁，直至显式释放自旋锁。
自旋锁避免了进程上下文的调度开销，因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的，也就是说，只能在阻塞很短的时间才适合使用自旋锁。
但是，在自旋锁期间，任务抢占将会失效，这就是说，即使自旋锁的阻塞时间很短，但是这仍然会增加任务抢占延时，让调度变得不确定。
(3) 中断的优先级是最高的
任何时刻，只要中断发生，就会立刻执行中断服务程序，也就是中断的优先级是最高的。只有当所有的外部中断和软终端都处理结束了，正常的任务才能得到执行。
这看起来是好事情，但是想一想，如果有比中断优先级更高的任务呢?假如系统在运行中，网口持续接收到数据，那么中断就一直被执行，那么其他任务就可能一直得不到执行的机会，这是影响 Linux 系统实时性的巨大挑战。
(4) 同步操作时关闭中断
如果去看 Linux 内核的代码，可以看到在很多地方都执行了关中断指令，如果在这期间发生了中断，那么中断响应时间就没法保证了。
4.2 Linux 系统如何改成硬实时?

以上描述的几个因素，对 Linux 实现真正的实时性构成了很大的障碍，但是现实世界又的确有很多场合需要 Linux 具有硬实时，那么就要针对上面的每一个因素提出解决方案。
目前主流的解决方案有 2 个：

• 单内核解决方案：给 Linux 内核打补丁，解决上面提到的几个问题，例如：RT-Preempt;
  
• 双内核解决方案：在硬件抽象层之上，运行 2 个内核：实时内核 + Linux 内核，它们分别向上层提供 API 函数，例如：Xenomai;
  这 2 种解决方案分别有不同的实现，从调研情况来看，RT-Preempt 和 Xenomai 是使用比较多的，下面分别来看一下他们的优缺点。
  

(1)RT-Preempt
这种方式主要是对 Linux 内核进行打补丁，解决了上面所说的几个问题：内核不可抢占、自旋锁、关中断以及终端优先级的问题。
至于每一个问题是如何解决的，由于篇幅关系，这里就不介绍了，感兴趣的小伙伴如果需要的话，可以深入了解一下。
由于是直接在 Linux 内核上打补丁(以后肯定会合并到主分支中的)，因此对于应用程序开发来说，操作系统向上层提供的 API 接口函数可以保持不变，这对应用程序开发来说是一件好事情。
(2)Xenomai
Xenomai是一个 Linux 内核的实时开发框架，它希望通过无缝地集成到 Linux 环境中来给用户空间应用程序提供全面的，与接口无关的硬实时性能。下面是 Xenomai 的架构图：

在硬件抽象层之上，是 2 个并列的域(内核)，这 2 个内核分别向上层提供自己的 API 接口函数。
图中 glibc 是 Linux 系统提供的库函数，应用程序通过调用库函数和系统调用来编写程序。
Xenomai 也提供了相应的库函数 libcobalt ，这个库函数是需要我们在用户层编译、安装的，就像安装第三方库一样。