Real-time Linux

Real-time 代表的不只是結果正確，還要在時限內完成，不然還是失敗，也就是事件有決定性 (deterministic)。或許只要使用夠快的硬體就能達到 real-time，但不同事情有不同的延遲要求，在較差的硬體，作業系統如何保證特定事情能在時限內即時完成？

作法是低優先權的 process 未完成前讓出 CPU 給高優先權 process 使用，叫做 preempty。程式在 userspace 原本就 preemptible，kernel 部份在 2.6 開始才有 CONFIG_PREEMPTY 支援，即使在執行 syscall，除了關掉 local interrupts (或持有 siplock)，也可被高優先 process preempted。

preempty 時為了維持資料完整和正確，需要 critical section，lock 機制也會不同。uni-processor 的 spinlock，沒有 preempty 時用 no-op 就可以了，有 preempty 就不行。

preemption 可減少延遲，但也會減少 throughput，所以有個平衡點。

在 Linux 中有如下不同程度的 real-time 實作，從無到終極版 throughput 愈低，但愈具備決定性

• CONFIG_PREEMPT_NONE：無
• CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY：低優先權 process 自願讓出
• CONFIG_PREEMPT：隱含在 spinlock, interrupt return code 裡讓出。使用 PREEMPT_RCU，前兩者則使用 CLASSIC_RCU
• CONFIG_PREEMPT_RT：終極版，使用 preemptive 排程器

另外可導入真正的 RTOS，Linux 變成 RTOS 下的 idle task

參考

1. Jserv's blog: 破除 Realtime GNU/Linux 的迷思 (Getting real (time) about embedded GNU/Linux 的譯註)
2. Real-Time Linux Wiki
3. Driver porting: the preemptible kernel
4. Linux Device Drivers, Concurrency and Race Conditions
5. https://www.codeblueprint.co.uk/2019/12/23/linux-preemption-latency-throughput.html
6. CONFIG_SMP：Symmetric multiprocessing。SMP mutual exclusion 確保也可以用在 preemption。同一 CPU 內存取 per-CPU variables 要特別注意 preemption 時是否有 races 問題。其它 CPU 存取已處理，應該沒問題。
7. CONFIG_HZ
8. Spinlock 原始碼觀摩(—)

20200713 最後更新