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基于Linux的实时嵌入式操作系统内核的改进研究
摘要
现代嵌入式系统越来越需要实时响应和高性能，因此，操作系统内核的改进成为了一项重要的任务。本文基于Linux操作系统，介绍了实时嵌入式操作系统内核的改进研究。首先，介绍了Linux内核的架构和实时性的要求；然后，阐述了Linux内核中常见的调度策略，并说明实时系统中需要采用实时调度策略的原因；最后，介绍了Linux系统中常见的实时调度策略，并讨论了其优缺点。
关键词：Linux、实时嵌入式系统、内核改进、调度策略
引言
随着嵌入式系统的不断发展，对实时性、性能和可靠性的要求越来越高。在这样的背景下，操作系统内核的改进成为了一项重要的任务。本文基于Linux操作系统，介绍了实时嵌入式操作系统内核的改进研究。首先，介绍了Linux内核的架构和实时性的要求；然后，阐述了Linux内核中常见的调度策略，并说明实时系统中需要采用实时调度策略的原因；最后，介绍了Linux系统中常见的实时调度策略，并讨论了其优缺点。
Linux内核的架构和实时性要求
Linux操作系统内核是由LinusTorvalds和一些开发者开发的一个开源操作系统内核。Linux内核的架构主要分为用户空间和核心空间两部分。用户空间是应用程序运行的环境，包括用户进程、应用程序、驱动程序等；核心空间是内核运行的环境，包括内核、设备驱动程序、文件系统等。Linux内核为了支持实时性，其中包含了一个实时调度器。
实时性是指系统对事件、信号或者其他外部请求的响应时间。在实时嵌入式系统中，响应时间对于系统的性能和可靠性至关重要。实时嵌入式操作系统需要支持用户和应用程序对实时性的要求。为了达到实时性要求，内核需要支持硬实时和软实时模式。在硬实时模式下，系统需要在规定的时间内完成任务，否则会出现严重后果。在软实时模式下，系统需要尽可能快地完成任务，以保证高性能。因此，对于Linux内核的实时性有较高的要求。
Linux内核中调度策略简介
Linux内核中常见的调度策略包括完全公平调度（CFS，CompletelyFairScheduler）、实时进程调度器（Real-TimeScheduler）和进程周期调度器（ProportionalShareScheduling）。
完全公平调度（CFS）是Linux内核中最常见的调度策略之一。它是一种用于多核或者多线程处理器的调度策略。CFS通过计算每个进程的虚拟运行时间来确定下一个要运行的进程。它通过动态调整进程的优先级，来使每个进程都能够获得公平的时间片。
实时进程调度器（Real-TimeScheduler）是一种针对实时系统设计的调度策略。它可以保证实时进程总是优先于其他进程。实时进程调度器可以分为两类：静态优先级调度器（StaticPriorityScheduler）和动态优先级调度器（DynamicPriorityScheduler）。静态优先级调度器是一种在进程启动时就确定优先级的调度策略，而动态优先级调度器是在运行时动态调整优先级的调度策略。
进程周期调度器（ProportionalShareScheduling）是一种为系统提供资源的调度策略。它可以根据进程的虚拟周期长短和内核中所分配的权重来分配CPU资源。进程周期调度器可以保证每个进程都可以获得其所需的资源数量。
实时调度策略
在实时嵌入式系统中，需要采用实时调度策略来确保系统的实时性。Linux内核中常见的实时调度策略包括先到先服务调度（First-Come-First-ServeScheduling）、最短作业优先调度（Shortest-Job-FirstScheduling）和优先级调度（PriorityScheduling）。
先到先服务调度是一种简单的实时调度策略，即先到达的进程先得到CPU时间片。这种调度策略的问题在于，在低优先级进程拥有CPU时间片的情况下，高优先级进程可能会得不到执行的机会。
最短作业优先调度是一种选择最短作业进程来优先执行的调度策略。这种策略可以最大化CPU利用率，并降低系统响应时间。
优先级调度是一种根据进程优先级来进行调度的策略。Linux内核中实时优先级的范围为1-99，其中1-49为静态优先级，50-99为动态优先级。静态优先级是在进程运行前设置的，而动态优先级则是在进程运行时动态调整的。优先级调度可以保证高优先级进程得到优先执行的机会，但是可能会造成低优先级进程被饥饿。
实时调度策略的优缺点
不同的实时调度策略有其优缺点。先到先服务调度非常简单，易于实现，但是可能会导致优先级较低的进程无法得到CPU时间片。最短作业优先调度可以最大化CPU利用率和系统响应时间，但是对于长时间运行的作业可能会出现性能问题。优先级调度可以保证高优先级进程得到优先执行的机会，但容易造成低优先级进程被饥