linux为什么不是实时操作系统

Linux为什么不是实时操作系统？

从我们接触Linux系统开始，一直听到的都是它是非实时操作系统，怎么理解这个非实时呢？

我的理解，非实时，就是中断响应不及时，任务调度不及时。那么，真的是这样吗？下面先了解一下，Linux中断响应，是怎样的一个处理流程。

Linux是如何响应中断

ARM中断流程

ARM处理器的中断处理过程，可以分为以下几个步骤：

  1. 中断请求：外部设备或软件可以向ARM处理器发送中断请求信号，以通知处理器有需要处理的事件发生。中断请求可以是硬件中断（如外部设备的输入触发中断）或软件中断（通过软件指令触发中断）。
  2. 中断检测：ARM处理器会周期性地检测中断请求是否发生。这个过程通常在每个指令周期的某个时刻进行，被称为中断检测阶段。如果检测到中断请求，处理器将进入中断处理流程。
  3. 中断响应：当ARM处理器检测到中断请求时，它会保存当前的执行状态，并跳转到中断服务例程（ISR，Interrupt Service Routine）的入口地址。
  4. 中断处理：进入中断服务例程后，ARM处理器将执行特定的中断处理代码，以完成对中断事件的处理。中断服务例程通常包括保存现场、处理中断事件、恢复现场等步骤。
  5. 中断返回：在中断处理完成后，ARM处理器会从中断服务例程返回到原来的执行状态。处理器会恢复之前保存的现场，并继续执行被中断的指令。

我们在上面的第三步，存在一个保存现场的过程，它主要进行以下逻辑：

ARM异常处理：处理器对特定的异常事件进行的处理流程（CPU指导硬件自动完成：四大步三小步）。

一、保存现场(四大步)：

  1. 保存CPSR到SPSR_mode

  2. 适当设置 CPSR 对应功能位（三小步）：

    a. 切换处理器进入ARM状态：T[5]
    b. 根据需要，禁止中断位：F[6] / I[7]
    c. 根据异常切换到对应的异常模式：M[4:0]

  3. 保存返回地址：把当前 PC 保存到 lr_mode

  4. 设置PC = 存放跳转到对应的异常向量表的固定首地址。

Linux的中断入口

我们关注中断响应和中断处理的过程，以ARM A55为例，Linux内核中，中断向量表在 arch/arm64/kernel/entry.S 中有定义：

/** Exception vectors.*/.pushsection ".entry.text", "ax".align  11
SYM_CODE_START(vectors)kernel_ventry   1, t, 64, sync          // Synchronous EL1tkernel_ventry   1, t, 64, irq           // IRQ EL1tkernel_ventry   1, t, 64, fiq           // FIQ EL1hkernel_ventry   1, t, 64, error         // Error EL1tkernel_ventry   1, h, 64, sync          // Synchronous EL1hkernel_ventry   1, h, 64, irq           // IRQ EL1hkernel_ventry   1, h, 64, fiq           // FIQ EL1hkernel_ventry   1, h, 64, error         // Error EL1hkernel_ventry   0, t, 64, sync          // Synchronous 64-bit EL0kernel_ventry   0, t, 64, irq           // IRQ 64-bit EL0kernel_ventry   0, t, 64, fiq           // FIQ 64-bit EL0kernel_ventry   0, t, 64, error         // Error 64-bit EL0kernel_ventry   0, t, 32, sync          // Synchronous 32-bit EL0kernel_ventry   0, t, 32, irq           // IRQ 32-bit EL0kernel_ventry   0, t, 32, fiq           // FIQ 32-bit EL0kernel_ventry   0, t, 32, error         // Error 32-bit EL0
SYM_CODE_END(vectors)

而这个向量表，又是在什么时候设置到CPU的呢？

在 arch/arm64/kernel/head.S 中，有以下汇编代码：

/** The following fragment of code is executed with the MMU enabled.**   x0 = __PHYS_OFFSET*/
SYM_FUNC_START_LOCAL(__primary_switched)adr_l   x4, init_taskinit_cpu_task x4, x5, x6adr_l   x8, vectors                     // load VBAR_EL1 with virtualmsr     vbar_el1, x8                    // vector table addressisb...SYM_FUNC_END(__primary_switched)

从上面可以看到，将 vectors 的地址写入 vbar_el1 寄存器。

Exception level的Vector Base Address Register (VBAR)寄存器，该寄存器保存了各个exception level的异常向量表的基地址。该寄存器有三个，分别是VBAR_EL1，VBAR_EL2，VBAR_EL3。

为什么 vectors 会有 4x4 个向量呢？

exceptions

在ARM.v8体系结构中，中断只是异常的一种类型，异常有4种类型。

  • 同步异常：这种类型的异常总是由当前执行的指令引起。例如。可以使用str 指令将一些数据存储在不存在的内存位置。在这种情况下，将生成同步异常。同步异常也可以用于生成 软件中断。软件中断是由svc指令有意产生的同步异常。
  • IRQ(中断请求)：这些是正常的中断。它们始终是异步的，这意味着它们与当前执行的指令无关。与同步异常相反，它们始终不是由处理器本身生成的，而是由外部硬件生成的。
  • FIQ(快速中断请求)：这种类型的异常称为快速中断，仅出于优先处理异常的目的而存在。可以将某些中断配置为“正常”，将其他中断配置为“快速”。快速中断将首先发出信号，并将由单独的异常处理程序处理。Linux不使用快速中断。
  • SError(系统错误)：像IRQ和FIQ一样，SError异常是异步的，由外部硬件生成。与 IRQ 和 FIQ 不同，SError 始终表示某种错误情况。

异常向量

每种异常类型都需要有自己的处理程序。另外，同一种异常类型下不同的状态也需要定义单独的处理程序。典型的有4种状态，以EL1 为例，这些状态可以定义如下：

  1. EL1t 与EL0共享堆栈指针时，EL1发生异常。当 SPSel 寄存器的值为 0 时，就会发生这种情况。
  2. EL1h 为EL1分配了专用堆栈指针时，EL1发生了异常。这意味着 SPSel 拥有值 1，这是我们当前正在使用的模式。
  3. EL0_64 以64位模式执行的EL0产生异常。
  4. EL0_32 以32位模式执行的EL0产生异常。

总共，我们需要定义16个异常处理程序（4个异常级别乘以4个执行状态）。

当外部gpio中断来了的时候，我们进入的是IRQ EL1h，当访问内存产生的缺页异常，进入的是Synchronous EL1h。

当外部gpio中断来了，查询向量表，满足kernel_ventry 1, h, 64, irq，kernel_ventry 是在 arch/arm64/kernel/entry.S 实现的一个函数，上面展开后，就是调用 el1h_64_irq 这个函数。el1h_64_irq 还是一个汇编宏展开，在 arch/arm64/kernel/entry.S 有这样的代码：

        .macro entry_handler el:req, ht:req, regsize:req, label:req
SYM_CODE_START_LOCAL(el\el\ht\()_\regsize\()_\label)kernel_entry \el, \regsizemov     x0, spbl      el\el\ht\()_\regsize\()_\label\()_handler.if \el == 0b       ret_to_user.elseb       ret_to_kernel.endif
SYM_CODE_END(el\el\ht\()_\regsize\()_\label).endm/** Early exception handlers*/...entry_handler   1, h, 64, irq...

可以看到，通过SYM_CODE_START_LOCAL定义函数，在 kernel_entry 中做寄存器数据入栈等现场保护，然后bl跳转到 el1h_64_irq_handler，而el1h_64_irq_handler则是C语言实现的代码了。

el1h_64_irq_handler

el1h_64_irq_handler实际上是在 el1_interrupt 的基础上，再调用handle_arch_irq函数，在看handle_arch_irq函数之前，我们先看看el1_interrupt 都做了哪些操作。

el1_interrupt的逻辑：

  • 关外部中断；
  • 通过 do_interrupt_handler 调用到中断处理函数，do_interrupt_handler 会判断当前是否在任务的栈上，如果在栈上还需要保存现场，否则直接调用handle_arch_irq；
  • 通过 arm64_preempt_schedule_irq 函数进行抢占式调度任务；
  • 开外部中断；

上面的handle_arch_irq就是一个函数指针，以gicv3为例，该函数指针指向的是gic_handle_irq()。

gic_handle_irq

  1. do_read_iar 获取中断号；
  2. 检查是否支持NMI（非屏蔽中断），并读取RPR（运行优先级寄存器）的值。如果RPR的值等于GICD_INT_RPR_PRI(GICD_INT_NMI_PRI)则调用gic_handle_nmi()函数来处理NMI；
  3. 检查是否启用了GIC（通用中断控制器）的优先级屏蔽功能。如果启用了，则调用gic_pmr_mask_irqs()函数来屏蔽中断，并调用gic_arch_enable_irqs()函数来启用中断；
  4. gic_complete_ack将中断ID写入ICC_EOIR1_EL1寄存器来停止这个中断，我理解应该是类似清除gic的中断pending位信息；
  5. 接下来就是调用中断处理函数handle_domain_irq；

handle_domain_irq

  1. irq_resolve_mapping 通过hwirq查找irq_desc；
  2. 接着调用handle_irq_desc函数来处理中断描述符irq_desc，里面重点是调用 irq_desc->handle_irq 函数;
  3. 这个irq_desc->handle_irq函数由irq_chip->irq_nmi_teardown设置，SGI/PPI/EPPI对应handle_percpu_devid_irq，其他对应handle_fasteoi_irq。
  4. 最终handle_fasteoi_irq会调用action->handler来执行中断处理函数，这个action->handler就是我们通过request_irq或者request_threaded_irq设置的中断处理函数；

针对这个，建议查看参考文章i.MX8MP平台开发分享（gicv3篇）-- gic_handle_irq如何跳转到自定义的中断线程处理函数，里面针对硬件寄存器的介绍也比较详细。

中断的实时性讨论

在没有进行上面的代码跟进的时候，我之前一直以为，linux的中断非实时，是因为Linux系统在获知硬件中断之后，仅仅是立马清除了中断的pending信息，等到合适的时间再去进行中断函数的处理，从而导致中断非实时。但是从上面的代码分析下来发现，我之前的理解都是错误的，可以说，Linux系统在不关中断的情况下，只要产生了中断，都是会立马处理中断的。

那么为什么说Linux中断是非实时的呢？

因为Linux太多关闭中断的地方了，如上面，在处理中断的时候，关闭了中断（Linux不允许中断嵌套）；在系统进入临界区的时候会调用spin_lock_irqsave等，关闭中断的地方多了，影响外部中断的时候，就需要等待使能中断后才可以响应，从而不满足非实时。

而像RT Linux，为了提高中断实时性，它主要进行了以下几点的修改：

  • 临界区可抢占，将spinlock修改为可抢占类型，避免大量的关闭中断；
  • 中断处理线程化，减少关闭中断的时间；

从RT Linux的修改，都是为了减少关闭中断的时间来提高实时性。从这个方面去理解Linux的中断非实时，就更容易理解了吧。

Linux任务什么时候调度

首先，Linux的进程是抢占式的，内核配置CONFIG_PREEMPT默认是开启的，当一个高优先级的进入可运行状态，内核将会检查它的动态优先级是否大于当前正在运行进程的优先级。如果是，当前运行的进程将会被中断，并调用调度程序选择另外一个程序运行。

在中断处理完之后，任务也会有机会发生调度，具体的代码段如下：

// arch/arm64/kernel/entry-common.cstatic void noinstr el1_interrupt(struct pt_regs *regs,void (*handler)(struct pt_regs *))
{write_sysreg(DAIF_PROCCTX_NOIRQ, daif);enter_el1_irq_or_nmi(regs);do_interrupt_handler(regs, handler);/** Note: thread_info::preempt_count includes both thread_info::count* and thread_info::need_resched, and is not equivalent to* preempt_count().*/if (IS_ENABLED(CONFIG_PREEMPTION) &&READ_ONCE(current_thread_info()->preempt_count) == 0)arm64_preempt_schedule_irq(); //可抢占，则发生调度exit_el1_irq_or_nmi(regs);
}

时常我们会说，从内核返回用户空间的时候，也会发生任务调度，这个从用户空间进入内核的时候，也是通过异常进入的（或者说是软中断，PPI？），实际上这个和中断应该是没有本质的区别吧？所以他们归类为一种，都是异常处理后的任务调度。

最后，还有一种是时间片用完之后的任务调度，这个就很好理解了，给你的时间用完了，就要切换出去，不能让你自己一个人玩。

参考：

ARM中断处理过程及编程实例

ARM-中断状态，中断响应流程（四大步三小步）

ARM64 kernel exception vectors

i.MX8MP平台开发分享（gicv3篇）-- gic_handle_irq如何跳转到自定义的中断线程处理函数

【进程】preempt_count解析

[工业互联-15]：Linux操作与实时Linux操作系统RT Linux（ PREEMPT-RT、Xenomai）

【进程调度】执行调度的时机

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