?

　　近年來的研究以細化時鐘粒度來提高Linux的實時應用能力提出了一些方案和設想，主要有KURT-Linux系統、RT-Linux系統。本文對KURT_Linux、RT-Linux提高時鐘精度的方法進行分析，考慮在強周期性應用或者在某個時段內有大量高精度定時器將超時的情況下，采用一種動態的多模式時鐘機制來提高Linux的時鐘精度，并通過分析測試證明該方案確實可行。

　　1 Linux時鐘機制與改進

　　1.1 Linux時鐘機制

　　時鐘和定時器對Linux系統來說是至關重要的。首先，內核要管理系統的運行時間以及墻上時間;其次，內核中大量的任務是基于時間驅動，其中有些任務是周期執行，如對調度程序中運行隊列進行平衡調整或對屏幕進行刷新，而有些任務需要推后執行的I/O操作則需要等待一個相對時間后才運行。

　　系統時鐘是定時器硬件和系統軟件的結合，在X86體系結構中，使用最普遍的定時器硬件是Intel8254可編程定時器芯片(PIT)，它產生的中斷就是時鐘中斷(tick)。時鐘中斷是特定的周期性中斷，對應中斷服務程序，完成更新系統時間以及任務的管理、調度等工作;系統在每次時鐘中斷處理中更新jiffies，維護系統定時器鏈表timer_list，對超時的定時器進行處理。

　　與系統定時器相對的是動態定時器，是用來調度事件在將來某個時刻發生的機制。它依賴于系統時鐘中斷，在時鐘中斷服務程序的下半部，系統檢查是否有超時的動態定時器并進行處理。linux2.6內核的系統時鐘頻率為1 000 Hz，即時鐘中斷的觸發周期為1 ms，中斷服務程序最快每1 ms執行一次。動態定時器隨時都可能超時，但只有在中斷服務處理程序執行時才會檢查、執行超時的動態定時器，所以動態定時器的平均誤差大約為半個系統時鐘周期。

　　CNC數控系統的工作過程通常是首先內建一個定時器(由操作系統完成)，然后周期性地執行控制程序，周期通常為幾十微秒到十幾毫秒。在每個周期內要完成狀態監測、譯碼、刀具補償計算、插補計算、PLC管理、位置控制等工作?？梢?，在加工工件過程中，CNC要求的實時性非常高，必須在很短、很精確的周期內完成一系列的計算和輸入輸出，否則加工精度無法得到保障。標準2.6內核Linux定時器精度遠遠達不到數控系統周期實時任務要求的微秒級定時精度。

　　1.2 提高時鐘精度的辦法

　　近年來人們對Linux進行實時化改造提出了一些方案和設想，主要有KURT-Linux、RT-Linux等[2]。下面分別進行介紹。

　　KURT_Linux[3]由kansas大學開發，通過對Linux內核內部進行改造來滿足實時應用需求。在時鐘精度方面，KURT-Linux將Linux的時鐘中斷固定模式改為單次觸發模式(one-shot mode)，即每次給時鐘芯片設置一個超時時間，然后等到該超時事件發生，在時鐘中斷處理過程中再次根據需要設置一個超時時間。通過這種變長時鐘模式，將Linux時鐘精度提高到μs級。既保證了特定實時任務的精度要求，又避免了不必要的調度負擔。

　　RT-Linux是新墨西哥工學院研制的一個基于Linux的硬實時系統。它采用雙內核方法，在原有Linux基礎上設計一個專門處理實時進程的內核，然后把整個Linux作為實時內核上運行的一個低優先級進程。在時鐘精度方面類似KURT_Linux，將系統實時時鐘設置為單次觸發狀態，然后利用TSC提供高達CPU時鐘頻率的定時精度。

　　Monta Vista Linux是由James Ready領導開發的嵌入式Linux，通過對Linux內核進行內部改造，直接修改原有Linux內核的數據結構等來滿足實時需要。在高精度時鐘方面，拋開傳統的周期中斷CPU的方法，使定時器在需要的任何一個μs產生中斷，但不在每個μs產生中斷，將系統的定時精度提高到μs級。

　　Linux-SRT是劍橋大學David Ingram的博士論文項目，它簡單地修改了Linux中Hz的定義，將Linux時鐘頻率由100 Hz提高到1 024 Hz。這種方式實現起來很簡單，但是由此帶來頻繁的定時中斷使得系統開銷很大。

　　借鑒KURT-Linux的one-shot思想來提高時鐘精度，并利用高級可編程中斷控制器(APIC)[4]或通過附加的硬件資源實現一個與系統時鐘并行的高精度實時時鐘，在系統中維護一個高精度實時時鐘和一個低精度系統時鐘[5-7]，是一種普遍采用的提高時鐘精度的方法。但是在缺乏附加硬件支持或APIC使用受限的應用環境下，只能利用PIT芯片作為高精度時鐘源，在每次中斷處理時要重新計算下一次中斷時間和對PIT進行編程。由于PC的兼容性，PIT芯片位于低速的ISA總線上，頻繁設置定時器硬件也需要耗費大量的時鐘周期。因此one-shot模式時鐘中斷處理時間可能達到標準Linux時鐘中斷處理時間的7~15倍[8-9]。在強周期應用或有大量定時器集中在某個時段內時超時，需要采取一種不同于one-shot的時鐘模式。

　　如果系統中沒有任何實時定時器，則系統每隔1 ms會有一次周期性jiffies時鐘中斷，采用one-shot模式使得系統性能下降大約1.5%。如果系統中沒有任何實時定時器，則需要重新將時鐘設置為RTL CLOCK MODE PERIODIC工作模式，并且時鐘周期和標準Linux下時鐘周期一致，使Linux能在系統中不存在實時任務的情況下高效地工作。