2024年4月2日发(作者：奇光霁)
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第２９卷
第２期
Ｖｏ１．２９ ＮＯ．２
计算机工程与设计
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ
２００８年１月
Ｊａｎ．２００８
Ｌｉｎｕｘ 在ＴＤ．ＳＣＤＭＡ智能手机的应用与实时性改进
万兵， 郑建宏
（重庆邮电大学移动通信研究中心，重庆４０００６５）
摘要：提出了嵌入式Ｌｉｎｕｘ在ＴＤ．ＳＣＤＭＡ智能手机上的实现架构，对Ｌｉｎｕｘ的实时性进行改进，构建了一个包含实时内核和
标准内核的双内核Ｌｉｎｕｘ，实现事件优先级、抢占调度以及细粒度时钟。在一款ＴＤ—ＳＣＤＭＡ无线终端评估板上进行测试，最
大任务调度延时和中断响应时间分别为１４ ｓ和３ ｓ，达到了实时性要求。
关键词：嵌入式Ｌｉｎｕｘ；智能手机；实时双内核；实时抢占；实时定时器
中图法分类号：ＴＮ９２９．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—７０２４（２００８）０２－０２７９—０３
Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｎｕｘ ｏｎ ＴＤ—－ＳＣＤＭＡ ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ ａｎｄ ｒｅａｌ—－ｔｉｍｅ
ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｂｅｔｔｅｒｍｅｎｔ
ＷＡＮ Ｂｉｎｇ． ＺＨＥＮＧ Ｊｉａｎ—ｈｏｎｇ
（Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，
Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ｏｎ ＴＤ—ＳＣＤＭＡ ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ
Ｌｉｎｕｘ ｉｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｋｅｒｎｅｌ ａｎｄ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｎｕｘ ｋｅｒｎｅｌ，ｓｕｐｐｏｒｔ ｅｖｅｎｔ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｅｍｐｔｅｄ
ｒｅａｌ ｔｉｍｅ，ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｔｉｍｅ．Ｔｅｓｔ ｏｎ ａ ＴＤ—ＳＣＤＭＡ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｂｏａｒｄ，ｔｈｅ ｄｅｌａｙ ｏｆｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｔａｓｋ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ １４ Ｉｔｓ
ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ３ Ｉｔｓ，ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｅｅｔ、
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ；ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ；ｒｅａｌ－－ｔｉｍｅ ｄｏｕｂｌｅ ｋｅｒｎｅｌ；ｒｅａｌ—－ｔｉｍｅ ｐｒｅｅｍｐｔ；ｒｅａｌ－－ｔｉｍｅ ｔｉｍｅｒ
０ 引 言
多媒体功能丰富融合的３Ｃ智能手机将成为未来手机发
展的方向，而实现这些功能操作系统就要求高效和易于扩展。
Ｌｉｎｕｘ因其诸多的优点越来越受到研发商和运营商的青
睐：①价格是其最显而易见的优势，对于日益注重降低成本
的移动通信市场无疑具有极大的吸引力：＠Ｌｉｎｕｘ操作系统系
统资源占用率较低，性能比较稳定；＠Ｌｉｎｕｘ是无任何附加条
件的开放平台：＠Ｌｉｎｕｘ操作系统与Ｊａｖａ的相互融合，能够给
用户极大的拓展空间。这样，运营商对Ｌｉｎｕｘ作为智能手机操
作系统格外的青睐，让业界对Ｌｉｎｕｘ充满了信心。
本文以采用Ｌｉｎｕｘ的ＴＤ．ＳＣＤＭＡ智能手机为例，首先给
出了单、双两种实现架构，然后结合单ＣＰＵ架构分析了通用
的嵌入式Ｌｉｎｕｘ在实时性方面存在的不足，提出了详细的改进
图１双ＣＰＵ智能手机体系结构
构架如图１所示。
虽然目前许多设计方案采用的是双核，但是专业人士认
为单核是今后的趋势。单ＣＰＵ的智能手机系统将去掉核Ａ，
并将核Ｂ的ＲＴＯＳ换成强实时性的Ｌｉｎｕｘ内核，其它作相应的
改动。方案更好地发挥了Ｌｉｎｕｘ的优点，而且只需要一套操作
系统，可以附加一个多媒体专用芯片来处理多媒体业务，通过
方法，并在ＴＤ—ＳＣＤＭＡ评估板上进行了测试。
１ Ｌｉｎｕｘ智能手机系统构架
现在的智能手机方案有双核和单核两种，双ＣＰＵ的系统
收稿日期：２００７—０２—０５ Ｅ－ｍａｌｒ：ｗａｎｂｉｎｇｗｏｒｋ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃａ
提高处理器主频来缓减高速大量数据处理的压力。在成本方
面占很大优势，这是运营商和用户都非常敏感的问题。
基金项目：国家８６３高技术研究发展计划基金项目（２００４ＡＡ００１３９０）；国家“火炬计划”基金项目（１４０９）。
作者简介：万兵（１９８２一），男，四川乐山人，硕士研究生，研究方向为第三代移动通信； 郑建宏，男，教授，博士生导师，研究方向为通信与
信息系统。
２７９・——
———
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但是Ｌｉｎｕｘ本质上是一个非实时操作系统，需要进行实时
没有实时任务运行时以软件中断的形式传递给标准Ｌｉｎｕｘ内
核，如图３所示。
性改进：￣３ｃＰＰ定义的一个ＴＤＭＡ帧长度为１０ｍｓ，又分成两
个子帧，每个子帧的时长为５ ｍｓ０】。ＤＳＰ和ＡＲＭ之间必须维
持５ ｍｓ的帧同步，需要内核支持高精度的时钟来实现对实时
任务的精确控制。③在ＴＤ．ＳＣＤＭＡ系统中，每隔５ｍｓ就要产
生一个中断，中断延迟最短的要求６ ｌａｓ左右。⑧随着今后流
－ ‘。。。。。。’。。。’。。。。。。。一
屏蔽中断Ｉｆ ｆＩ 中断 ］Ｊ 匝
‘。。。。 ‘。一
＿
标准Ｌ匿圃ｉｎｕｘ内核 匦
ｌｉｎｕｘ ■ｉ ｒｑ＿ｍａｓｋ Ｉ
ｌｉｎｕｘｉｒｑ
ＲＩｅａ１．ＴｉｍｅｌＬｉｎｕｘ内核 Ｉ
ｈ
＿
视频业务的增加，６４Ｋ的视频编解码、音频视频同步等使得ＣＳ
域（电路域）数据高速大量传输，需要一定的实时条件的保证。
ｉｒｑ（）￣Ｉｄｉｓｐａｏｉ
！
兰
』
［ｄｉｓｐａｃｉ
ｑ０ １ ［ｄ垄
ｐａｏ．
＋（ｒｔ ｌｉｎｕｘ ｓｔｉ ｆ ＞ｌ
ｕｎｍａｓｋ Ｉ
ｂ
＿
ｓｒ
ｉｓ
ｒｔ １ｉｎｕｘ ｃｌｊ Ｊ ｆ ｆ ｌ
２ Ｌｉｎｕｘ实时性改进
２．１实时Ｌｉｎｕｘ双内核的设计
如图２所示，在Ｌｉｎｕｘ标准内核和硬件中断之间添加一个
实时内核，通过截获硬件中断来实现，实时内核采用固定优先
（．＊ｄｅｉｎｓａｂｖｌｏｅ—ｉ～ｄ ｒｑ）（０） 蒋
ｖｏｉｄ
级调度算法，标准Ｌｉｎｕｘ内核优先级最低，可以被作为一个实
时任务随时抢断。所有硬件中断都被中断分发器捕获，实时
中断将激活实时任务运行。当实时内核中没有实时任务时，
图３中断模拟
２．２实时抢占调度设计
除了中断设计外，还有一个重要的实时改进点是可抢占
式实时调度。采用固定优先级的实时调度，调度器从就绪队
列中选取优先级最高的任务并为其分配资源运行，如果就绪
的任务比当前的任务优先级高则发生抢断。我们选用经典的
速率单调算法（ｒａｔｅ—ｍｏｎｏｔｏｎｉｃ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，Ｍ）Ｒ ，下面
就将它捕获的非实时硬件中断以软件中断的形式传递给标准
Ｌｉｎｕｘ内核。
简要的描述一下使用ＲＭ
的实现：
算法改进后的调度函数ｒｔ—ｓｃｈｅｄｕｌｅ
（１）更新实时任务的状态
ｆｏｒｅａｃｈ
＿
ｒｔｔａｓｋ（ｐ）
ｉｆ（（ｐ．＞ｓｔａｔｅ—ＲＴ ＴＡＳＫ ＤＥＬＡＹＥＤ）＆＆（ｐ．＞ｒｅｓｕｍｅ
ｔｉｍｅ＜（ｎｏｗ＋１ ０）））
｛ｐ－＞ｓｔａｔｅ—ＲＴ
ＴＡＳＫ
ＲＥＡＤＹ；，
＿＿
ｎｅｗ
—
ｔａｓｋ＝＆ｒｔ
ｌｉｎｕｘ
ｔａｓｋ；
＿
＿
（２）ＭＲ
图２改进的实时Ｌｉｎｕｘ双内核结构
算法
＿＿
＿
ｓｈｏｒｔｅｓｔ
ｐｅｒｉｏｄ＝ｒｔ
ｌｉｎｕｘ
ｔａｓｋ；
ｆｏｒ
ｅａｃｈ
＿＿
ｒｔｔａｓｋ（ｐ）
＿
在该设计中最关键的是中断的处理，实现的时候非常得
ｉｆ（（ｐ一＞ｓｔａｔｅ—ＲＥＡＤＹ）＆＆（ｔａｓｋ一＞ｐｅｒｉｏｄ＜ｓｈｏｒｔｅｓｔ
ｐｅ—
ｒｉｏｄ）） ．
益于实时硬件抽象层（ＲＴＨＡＬ）。 的功能，它是由一些构建底层
设备的汇编代码组成。其中有一个很重要的数据结构ｒｔ＿ｈａｌ，
下面给出其主要的成员：
ｓｔｒｕｃｔ ｒｔ
ｈａｌ＜
—
｛ｎｅｗ ｔａｓｋ＝ｐ；ｓｈｏｒｔｅｓｔ＿ｐｅｉｒｏｄ＝ｐ－＞ｐｅｒｉｏｄ；）
ｐｒｅｅｍｐｔｏｒ＝０：
ｉｍｅ＝ＲＴ
ＴＩＭＥ ＥＮＤ；
ｐｒｅｅｍｐｔ
ｔ
＿
＿
ｖｏｉｄ（＊ｄｏ／ＲＱ）（ｉｎｔ，ｓｔｒｕｃｔ ｐｔ
ｒｅｇｓ ）；
＿
ｆｏｒ ｅａｃｈ ）
ｒｔｔａｓｋ（ｐ
．
ｖｏｉｄ（ ｄｏＳＲＱ）（ｉｎｔ，ｓｔｒｕｃｔ ｐｔ＿ｒｅｇｓ ）；
＿
ｉｆ（（ｐ一＞ｓｔａｔｅ—ＲＴ
ＴＡＳＫ
ＤＥＬＡＹＥＤ）＆＆（ｐ－＞ｒｅｓｕｍｅｔｉｍｅ
＿＿
ｖｏｉｄ（＊ｄｏ ＴＲＡＰ）ｔｉｎｔ，ｓｔｒｕｃｔ ｐｔ ｒｅｇｓ ）；
ｖｏｉｄ（＊ｅｎａｂｌｅ ｉｒｑ）（ｖｏｉｄ）；
ｖｏｉｄ（＊ｄｉｓａｂｌｅ－ｒｑ）（ｖｏｉｄ）；
……
＜ｐｒｅｅｍｐｔ
ｔｉｍｅ））
＿
｛ｐｒｅｅｍｐｔ＿ｔｉｍｅ一（ｐ一＞ｒｅｓｍｅｕ＿ｔｉｍｅ；ｐｒｅｅｍｐｔｏｒ＝ｐ；）
（３）任务切换
ｎｅｗ
＿
）ａｔｔｒｉｂｕｔｅ（（ａｌｉｇｎｅｄ）（３２））：
ｔａｓｋ－＞ｓｔａｔｅ＝ＲＴ ＴＡＳＫ
ＤＥＬＡＹＥＤ；
＿
＿
结构定义的函数指针在响应硬实时中断的时候通过指针
调用被动态地传递给实时Ｌｉｕｎｘ内核。在实时Ｌｉｎｕｘ内核中
ｉｎｕｘ
ｃｌ
定义了这些函数：ｒｔ
ｌ
ｉ０与ｄｉｓａｂｌｅｉｒｑ０对应，关闭中断状
＿
＿
ｒｔ ｓｗｉｔｃｈ
ｔｏ（ｎｅｗ ｔａｓｋ）；
２．３硬实时时钟的设计
普通的Ｌｉｎｕｘ定时器的调度粒度为１０ ｍｓ，无法满足实时
要求 。这里采用一种叫做ＯｎｅＳｈｏｔ的定时器模式，其思想是
将时钟的时间间隔设定为下一次时钟中断发生的时间，使定
时器在指定的时间中断ＣＰＵ，每次时钟中断根据当前系统时
＿
态；ｒｔ ｌｉｎｕｘｓｔｉ０与ｅｎａｂｌｅ
ｉｒｑＯ对应，开启中断状态；ｌｉｎｕｘ＿ｉｒｑ＿
＿＿
ｍａｓｋ０和ｌｉｎｕｘ ｉｒｑ ｕｎｍａｓｋ０分别为屏蔽和解屏蔽中断；函数ｄｉａ．
ｐａｃｈ
＿
ｉｒｑＯ用于判断当前中断是否是实时中断，是则就交给实
＿
时Ｌｉｎｕｘ内核处理，否则放入中断请求队列ＩＲＱ ，等待
Ｑｕｅｕｅ
－——
间和每个实时任务的运行周期决定下一次时钟中断间隔。处
２８０－——
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理流程如下：
表１任务调度延时
周期
区问／ｎｓ １００ ｐｓ ５０ ｕｓ ２０ ｕｓ
（１）保存本次中断时间ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ＿ｔｉｍｅ；
ｔｉｍｅ Ｌｉｎｕｘ
（２）判断ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ 是否大于 系统时钟，如果是则
．
调用时钟中断增加ｊｉｉｅｓ值，否则就进入（ｆ３）；
（３）扫描实时进程队列并设置相关进程状态，找出就绪的
最高优先级进程下次调用；
（４）扫描实时进程队列，找出待执行的进程，计算其启动时
间，并以此修改下一次定时器中断时间值；
（５）如果当前进程就是最高优先级的就绪进程则不用切
０．２０００
２００１．４０００
４００１．６０００
６００１．８０００
８００１．１０ ０００
次数
１４ ６９２
％
１．４０
次数
２４ ５６８
５５６ ９２４
２４５ ６４５
５８７
２５ ５７８
２．８８
６５－２０
２８．７５
０．０７
２．９９
次数
１８ ２３４
８３４ ５９１
６４５ ６２６
２８６５
９４
％
１－２１
５５．５３
４２．９６
０．１９
０．００
４５６ ４９１ ４３．５３
５４６４４２ ５２．１１
１０６４
１９ ５６５
０．１０
１．８７
换，否则进行进程的切换。
３改进的实时性能测试
本测试是在一款ＴＤ．ＳＣＤＭＡ无线终端评估板上进行的，
该评估板包含一个ＡＲＭ９２６ＥＪ．Ｓ内核，系统时钟２６ＭＨｚ，最高
主频２００ＭｓＨｚ，采用的Ｌｉｎｕｘ内核２．４．１８。测试分两个部分：①调
度延时测试；②中断响应时间的测试。
３．１测试例构造
（１）调度延时测试：用下面代码来测试睡眠后的调度延时，
长时间测试，适当的时候停下来：
ｄｏｆ
ｃｌｏｃｋ
＿
ｎａｎｏｓｌｅｅｐ（ＣＬＯＣＫ
ＲＥＡＬＴＩＭＥ，
＿
咖
ＴＩＭＥＲ ＡＢＳＴＩＭＥ，ｈｒｔ２ｔｓ（ｅｘｐｅｃｔｅｄ－ａｄｖａｎｃｅ），ＮＵＬＬ）
中断次数
；
ｅｘｐｅｃｔｅｄ＋ ｐｅｒｉｏｄ；
ｎｏｗ＝ｌｏｃｋ
＿
ｇｅｔｈｒｔｉｍｅ（ＣＬＯＣＫ
＿
ＭＯＮＯＴＯＮＩＣ）；
ｄｅｌａｙ＝ｎｏｗ－ｌａｓｔ
＿
ｔｉｍｅ－Ｔ：
ｌａｓｔｔｉｍｅ＝ｎｏｗ；
—
ｗｒｉｔｅ（ｆｄ
ｉｆｆｏ，ｄｅｌａｙ，ｓｉｚｅｏ ｄｅｌａｙ））；
［＝
＿
ｃｏｕｎｔｅｒ＋＋：｝ｗｈｉｌｅ（１）
每次的延时都将通过ＦＩＦＯ写入文件，ｃｌｏｃｋ＿ｎａｎｏｓｌｅｅｐ函
数用来睡眠一个周期，我们选取了Ｔ＝１００ ｐｓ、Ｔ＝５０ ｐｓ和Ｔ＝
２０ ｓ这３组来考察。
（２）中断响应时间的测试：有两种方法可以测试中断响应
时间：示波器和读取定时计数器值 。我４＂１］采用读取示波器
法，采用的是１００ＭＨｚ的数字示波器。用两个ＭＰＵＩＯ信号Ａ
和Ｂ，Ａ作为输入，通过输入一个高电平来触发Ｂ产生一个
ＭＰＵＩＯ中断，将Ｂ拉成高电平，在中断服务程序中的第一条
指令处再将Ｂ拉成低电平，通过读取示波器值，Ｂ信号的高电
平维持时间就可以作为中断响应时间。
３．２结果及分析
测试结果分别如表１和图４所示，任务调度延时时间大
部分小于６ ｐｓ，ＲＴ ｌｉｎｕｘ ２．０在６０ ＭＨｚ的４８６平台上测试结果
为２５ ｓ ，当然这与平台是紧密相关，只能相对的比较。中断
响应时间为多数为１．５ｐｓ，最坏的不超过３ ｐｓ，在同样的平台上
对时势操作系统Ｎｕｃｌｅｕｓ进行同样的测试，绝大多数响应在
９５０ｎｓ～１１００ｎｓ之间。所以，对于智能手机这类产品来说，上面
的改进是满足要求的。
４结束语
本文提出的Ｌｉｎｕｘ智能手机方案还处于评估试验阶段，对
Ｌｉｎｕｘ的实时性改进是在单纯的环境下得出了较好的效果，但
１０ ００１．１２ ０００ ８５６３ ０．８２ ５６ ０．００ ５２４ ０．０４
１２ ００１．１４ ０００ １７４６ ０．１７ ９５８ ０．１１ ９９３ ０．０７
１４ ００１．１６ ０００ ０ ０．０ ０ ０．００ ０ ０．００
＞１６ ０００ ０ ０．００ ０ ０．００ ０ ０．００
瑚 咖㈣ ０
监
５００ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００
ＭＰＵＩＯ中断响应时间／ｎｓ
图４ 中断响应时间
［
是如果考虑到今后ＤＰＭ（动态电源管理）等功能的添加，典型
＝＝＝＝＝
的对实时性能的一个挑战是ＤＰＭ下深度睡眠方式期间对中
＝
断的响应 ，这还有待于进一步的研究。
＝＝＝＝
参考文献：
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信令及实现［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００２：９８．９９．
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ＵＳＡ：ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００２：１３３－１４２．
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世界，２００３（８）：６１．６３．
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ｐｏｒｔａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｒ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ ３８ｔｈ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００ １．
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2024年4月2日发(作者：奇光霁)
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２００８年１月
Ｊａｎ．２００８
Ｌｉｎｕｘ 在ＴＤ．ＳＣＤＭＡ智能手机的应用与实时性改进
万兵， 郑建宏
（重庆邮电大学移动通信研究中心，重庆４０００６５）
摘要：提出了嵌入式Ｌｉｎｕｘ在ＴＤ．ＳＣＤＭＡ智能手机上的实现架构，对Ｌｉｎｕｘ的实时性进行改进，构建了一个包含实时内核和
标准内核的双内核Ｌｉｎｕｘ，实现事件优先级、抢占调度以及细粒度时钟。在一款ＴＤ—ＳＣＤＭＡ无线终端评估板上进行测试，最
大任务调度延时和中断响应时间分别为１４ ｓ和３ ｓ，达到了实时性要求。
关键词：嵌入式Ｌｉｎｕｘ；智能手机；实时双内核；实时抢占；实时定时器
中图法分类号：ＴＮ９２９．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—７０２４（２００８）０２－０２７９—０３
Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｎｕｘ ｏｎ ＴＤ—－ＳＣＤＭＡ ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ ａｎｄ ｒｅａｌ—－ｔｉｍｅ
ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｂｅｔｔｅｒｍｅｎｔ
ＷＡＮ Ｂｉｎｇ． ＺＨＥＮＧ Ｊｉａｎ—ｈｏｎｇ
（Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，
Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ｏｎ ＴＤ—ＳＣＤＭＡ ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ
Ｌｉｎｕｘ ｉｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｋｅｒｎｅｌ ａｎｄ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｎｕｘ ｋｅｒｎｅｌ，ｓｕｐｐｏｒｔ ｅｖｅｎｔ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｅｍｐｔｅｄ
ｒｅａｌ ｔｉｍｅ，ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｔｉｍｅ．Ｔｅｓｔ ｏｎ ａ ＴＤ—ＳＣＤＭＡ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｂｏａｒｄ，ｔｈｅ ｄｅｌａｙ ｏｆｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｔａｓｋ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ １４ Ｉｔｓ
ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ３ Ｉｔｓ，ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｅｅｔ、
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ；ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ；ｒｅａｌ－－ｔｉｍｅ ｄｏｕｂｌｅ ｋｅｒｎｅｌ；ｒｅａｌ—－ｔｉｍｅ ｐｒｅｅｍｐｔ；ｒｅａｌ－－ｔｉｍｅ ｔｉｍｅｒ
０ 引 言
多媒体功能丰富融合的３Ｃ智能手机将成为未来手机发
展的方向，而实现这些功能操作系统就要求高效和易于扩展。
Ｌｉｎｕｘ因其诸多的优点越来越受到研发商和运营商的青
睐：①价格是其最显而易见的优势，对于日益注重降低成本
的移动通信市场无疑具有极大的吸引力：＠Ｌｉｎｕｘ操作系统系
统资源占用率较低，性能比较稳定；＠Ｌｉｎｕｘ是无任何附加条
件的开放平台：＠Ｌｉｎｕｘ操作系统与Ｊａｖａ的相互融合，能够给
用户极大的拓展空间。这样，运营商对Ｌｉｎｕｘ作为智能手机操
作系统格外的青睐，让业界对Ｌｉｎｕｘ充满了信心。
本文以采用Ｌｉｎｕｘ的ＴＤ．ＳＣＤＭＡ智能手机为例，首先给
出了单、双两种实现架构，然后结合单ＣＰＵ架构分析了通用
的嵌入式Ｌｉｎｕｘ在实时性方面存在的不足，提出了详细的改进
图１双ＣＰＵ智能手机体系结构
构架如图１所示。
虽然目前许多设计方案采用的是双核，但是专业人士认
为单核是今后的趋势。单ＣＰＵ的智能手机系统将去掉核Ａ，
并将核Ｂ的ＲＴＯＳ换成强实时性的Ｌｉｎｕｘ内核，其它作相应的
改动。方案更好地发挥了Ｌｉｎｕｘ的优点，而且只需要一套操作
系统，可以附加一个多媒体专用芯片来处理多媒体业务，通过
方法，并在ＴＤ—ＳＣＤＭＡ评估板上进行了测试。
１ Ｌｉｎｕｘ智能手机系统构架
现在的智能手机方案有双核和单核两种，双ＣＰＵ的系统
收稿日期：２００７—０２—０５ Ｅ－ｍａｌｒ：ｗａｎｂｉｎｇｗｏｒｋ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃａ
提高处理器主频来缓减高速大量数据处理的压力。在成本方
面占很大优势，这是运营商和用户都非常敏感的问题。
基金项目：国家８６３高技术研究发展计划基金项目（２００４ＡＡ００１３９０）；国家“火炬计划”基金项目（１４０９）。
作者简介：万兵（１９８２一），男，四川乐山人，硕士研究生，研究方向为第三代移动通信； 郑建宏，男，教授，博士生导师，研究方向为通信与
信息系统。
２７９・——
———
维普资讯
但是Ｌｉｎｕｘ本质上是一个非实时操作系统，需要进行实时
没有实时任务运行时以软件中断的形式传递给标准Ｌｉｎｕｘ内
核，如图３所示。
性改进：￣３ｃＰＰ定义的一个ＴＤＭＡ帧长度为１０ｍｓ，又分成两
个子帧，每个子帧的时长为５ ｍｓ０】。ＤＳＰ和ＡＲＭ之间必须维
持５ ｍｓ的帧同步，需要内核支持高精度的时钟来实现对实时
任务的精确控制。③在ＴＤ．ＳＣＤＭＡ系统中，每隔５ｍｓ就要产
生一个中断，中断延迟最短的要求６ ｌａｓ左右。⑧随着今后流
－ ‘。。。。。。’。。。’。。。。。。。一
屏蔽中断Ｉｆ ｆＩ 中断 ］Ｊ 匝
‘。。。。 ‘。一
＿
标准Ｌ匿圃ｉｎｕｘ内核 匦
ｌｉｎｕｘ ■ｉ ｒｑ＿ｍａｓｋ Ｉ
ｌｉｎｕｘｉｒｑ
ＲＩｅａ１．ＴｉｍｅｌＬｉｎｕｘ内核 Ｉ
ｈ
＿
视频业务的增加，６４Ｋ的视频编解码、音频视频同步等使得ＣＳ
域（电路域）数据高速大量传输，需要一定的实时条件的保证。
ｉｒｑ（）￣Ｉｄｉｓｐａｏｉ
！
兰
』
［ｄｉｓｐａｃｉ
ｑ０ １ ［ｄ垄
ｐａｏ．
＋（ｒｔ ｌｉｎｕｘ ｓｔｉ ｆ ＞ｌ
ｕｎｍａｓｋ Ｉ
ｂ
＿
ｓｒ
ｉｓ
ｒｔ １ｉｎｕｘ ｃｌｊ Ｊ ｆ ｆ ｌ
２ Ｌｉｎｕｘ实时性改进
２．１实时Ｌｉｎｕｘ双内核的设计
如图２所示，在Ｌｉｎｕｘ标准内核和硬件中断之间添加一个
实时内核，通过截获硬件中断来实现，实时内核采用固定优先
（．＊ｄｅｉｎｓａｂｖｌｏｅ—ｉ～ｄ ｒｑ）（０） 蒋
ｖｏｉｄ
级调度算法，标准Ｌｉｎｕｘ内核优先级最低，可以被作为一个实
时任务随时抢断。所有硬件中断都被中断分发器捕获，实时
中断将激活实时任务运行。当实时内核中没有实时任务时，
图３中断模拟
２．２实时抢占调度设计
除了中断设计外，还有一个重要的实时改进点是可抢占
式实时调度。采用固定优先级的实时调度，调度器从就绪队
列中选取优先级最高的任务并为其分配资源运行，如果就绪
的任务比当前的任务优先级高则发生抢断。我们选用经典的
速率单调算法（ｒａｔｅ—ｍｏｎｏｔｏｎｉｃ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，Ｍ）Ｒ ，下面
就将它捕获的非实时硬件中断以软件中断的形式传递给标准
Ｌｉｎｕｘ内核。
简要的描述一下使用ＲＭ
的实现：
算法改进后的调度函数ｒｔ—ｓｃｈｅｄｕｌｅ
（１）更新实时任务的状态
ｆｏｒｅａｃｈ
＿
ｒｔｔａｓｋ（ｐ）
ｉｆ（（ｐ．＞ｓｔａｔｅ—ＲＴ ＴＡＳＫ ＤＥＬＡＹＥＤ）＆＆（ｐ．＞ｒｅｓｕｍｅ
ｔｉｍｅ＜（ｎｏｗ＋１ ０）））
｛ｐ－＞ｓｔａｔｅ—ＲＴ
ＴＡＳＫ
ＲＥＡＤＹ；，
＿＿
ｎｅｗ
—
ｔａｓｋ＝＆ｒｔ
ｌｉｎｕｘ
ｔａｓｋ；
＿
＿
（２）ＭＲ
图２改进的实时Ｌｉｎｕｘ双内核结构
算法
＿＿
＿
ｓｈｏｒｔｅｓｔ
ｐｅｒｉｏｄ＝ｒｔ
ｌｉｎｕｘ
ｔａｓｋ；
ｆｏｒ
ｅａｃｈ
＿＿
ｒｔｔａｓｋ（ｐ）
＿
在该设计中最关键的是中断的处理，实现的时候非常得
ｉｆ（（ｐ一＞ｓｔａｔｅ—ＲＥＡＤＹ）＆＆（ｔａｓｋ一＞ｐｅｒｉｏｄ＜ｓｈｏｒｔｅｓｔ
ｐｅ—
ｒｉｏｄ）） ．
益于实时硬件抽象层（ＲＴＨＡＬ）。 的功能，它是由一些构建底层
设备的汇编代码组成。其中有一个很重要的数据结构ｒｔ＿ｈａｌ，
下面给出其主要的成员：
ｓｔｒｕｃｔ ｒｔ
ｈａｌ＜
—
｛ｎｅｗ ｔａｓｋ＝ｐ；ｓｈｏｒｔｅｓｔ＿ｐｅｉｒｏｄ＝ｐ－＞ｐｅｒｉｏｄ；）
ｐｒｅｅｍｐｔｏｒ＝０：
ｉｍｅ＝ＲＴ
ＴＩＭＥ ＥＮＤ；
ｐｒｅｅｍｐｔ
ｔ
＿
＿
ｖｏｉｄ（＊ｄｏ／ＲＱ）（ｉｎｔ，ｓｔｒｕｃｔ ｐｔ
ｒｅｇｓ ）；
＿
ｆｏｒ ｅａｃｈ ）
ｒｔｔａｓｋ（ｐ
．
ｖｏｉｄ（ ｄｏＳＲＱ）（ｉｎｔ，ｓｔｒｕｃｔ ｐｔ＿ｒｅｇｓ ）；
＿
ｉｆ（（ｐ一＞ｓｔａｔｅ—ＲＴ
ＴＡＳＫ
ＤＥＬＡＹＥＤ）＆＆（ｐ－＞ｒｅｓｕｍｅｔｉｍｅ
＿＿
ｖｏｉｄ（＊ｄｏ ＴＲＡＰ）ｔｉｎｔ，ｓｔｒｕｃｔ ｐｔ ｒｅｇｓ ）；
ｖｏｉｄ（＊ｅｎａｂｌｅ ｉｒｑ）（ｖｏｉｄ）；
ｖｏｉｄ（＊ｄｉｓａｂｌｅ－ｒｑ）（ｖｏｉｄ）；
……
＜ｐｒｅｅｍｐｔ
ｔｉｍｅ））
＿
｛ｐｒｅｅｍｐｔ＿ｔｉｍｅ一（ｐ一＞ｒｅｓｍｅｕ＿ｔｉｍｅ；ｐｒｅｅｍｐｔｏｒ＝ｐ；）
（３）任务切换
ｎｅｗ
＿
）ａｔｔｒｉｂｕｔｅ（（ａｌｉｇｎｅｄ）（３２））：
ｔａｓｋ－＞ｓｔａｔｅ＝ＲＴ ＴＡＳＫ
ＤＥＬＡＹＥＤ；
＿
＿
结构定义的函数指针在响应硬实时中断的时候通过指针
调用被动态地传递给实时Ｌｉｕｎｘ内核。在实时Ｌｉｎｕｘ内核中
ｉｎｕｘ
ｃｌ
定义了这些函数：ｒｔ
ｌ
ｉ０与ｄｉｓａｂｌｅｉｒｑ０对应，关闭中断状
＿
＿
ｒｔ ｓｗｉｔｃｈ
ｔｏ（ｎｅｗ ｔａｓｋ）；
２．３硬实时时钟的设计
普通的Ｌｉｎｕｘ定时器的调度粒度为１０ ｍｓ，无法满足实时
要求 。这里采用一种叫做ＯｎｅＳｈｏｔ的定时器模式，其思想是
将时钟的时间间隔设定为下一次时钟中断发生的时间，使定
时器在指定的时间中断ＣＰＵ，每次时钟中断根据当前系统时
＿
态；ｒｔ ｌｉｎｕｘｓｔｉ０与ｅｎａｂｌｅ
ｉｒｑＯ对应，开启中断状态；ｌｉｎｕｘ＿ｉｒｑ＿
＿＿
ｍａｓｋ０和ｌｉｎｕｘ ｉｒｑ ｕｎｍａｓｋ０分别为屏蔽和解屏蔽中断；函数ｄｉａ．
ｐａｃｈ
＿
ｉｒｑＯ用于判断当前中断是否是实时中断，是则就交给实
＿
时Ｌｉｎｕｘ内核处理，否则放入中断请求队列ＩＲＱ ，等待
Ｑｕｅｕｅ
－——
间和每个实时任务的运行周期决定下一次时钟中断间隔。处
２８０－——
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理流程如下：
表１任务调度延时
周期
区问／ｎｓ １００ ｐｓ ５０ ｕｓ ２０ ｕｓ
（１）保存本次中断时间ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ＿ｔｉｍｅ；
ｔｉｍｅ Ｌｉｎｕｘ
（２）判断ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ 是否大于 系统时钟，如果是则
．
调用时钟中断增加ｊｉｉｅｓ值，否则就进入（ｆ３）；
（３）扫描实时进程队列并设置相关进程状态，找出就绪的
最高优先级进程下次调用；
（４）扫描实时进程队列，找出待执行的进程，计算其启动时
间，并以此修改下一次定时器中断时间值；
（５）如果当前进程就是最高优先级的就绪进程则不用切
０．２０００
２００１．４０００
４００１．６０００
６００１．８０００
８００１．１０ ０００
次数
１４ ６９２
％
１．４０
次数
２４ ５６８
５５６ ９２４
２４５ ６４５
５８７
２５ ５７８
２．８８
６５－２０
２８．７５
０．０７
２．９９
次数
１８ ２３４
８３４ ５９１
６４５ ６２６
２８６５
９４
％
１－２１
５５．５３
４２．９６
０．１９
０．００
４５６ ４９１ ４３．５３
５４６４４２ ５２．１１
１０６４
１９ ５６５
０．１０
１．８７
换，否则进行进程的切换。
３改进的实时性能测试
本测试是在一款ＴＤ．ＳＣＤＭＡ无线终端评估板上进行的，
该评估板包含一个ＡＲＭ９２６ＥＪ．Ｓ内核，系统时钟２６ＭＨｚ，最高
主频２００ＭｓＨｚ，采用的Ｌｉｎｕｘ内核２．４．１８。测试分两个部分：①调
度延时测试；②中断响应时间的测试。
３．１测试例构造
（１）调度延时测试：用下面代码来测试睡眠后的调度延时，
长时间测试，适当的时候停下来：
ｄｏｆ
ｃｌｏｃｋ
＿
ｎａｎｏｓｌｅｅｐ（ＣＬＯＣＫ
ＲＥＡＬＴＩＭＥ，
＿
咖
ＴＩＭＥＲ ＡＢＳＴＩＭＥ，ｈｒｔ２ｔｓ（ｅｘｐｅｃｔｅｄ－ａｄｖａｎｃｅ），ＮＵＬＬ）
中断次数
；
ｅｘｐｅｃｔｅｄ＋ ｐｅｒｉｏｄ；
ｎｏｗ＝ｌｏｃｋ
＿
ｇｅｔｈｒｔｉｍｅ（ＣＬＯＣＫ
＿
ＭＯＮＯＴＯＮＩＣ）；
ｄｅｌａｙ＝ｎｏｗ－ｌａｓｔ
＿
ｔｉｍｅ－Ｔ：
ｌａｓｔｔｉｍｅ＝ｎｏｗ；
—
ｗｒｉｔｅ（ｆｄ
ｉｆｆｏ，ｄｅｌａｙ，ｓｉｚｅｏ ｄｅｌａｙ））；
［＝
＿
ｃｏｕｎｔｅｒ＋＋：｝ｗｈｉｌｅ（１）
每次的延时都将通过ＦＩＦＯ写入文件，ｃｌｏｃｋ＿ｎａｎｏｓｌｅｅｐ函
数用来睡眠一个周期，我们选取了Ｔ＝１００ ｐｓ、Ｔ＝５０ ｐｓ和Ｔ＝
２０ ｓ这３组来考察。
（２）中断响应时间的测试：有两种方法可以测试中断响应
时间：示波器和读取定时计数器值 。我４＂１］采用读取示波器
法，采用的是１００ＭＨｚ的数字示波器。用两个ＭＰＵＩＯ信号Ａ
和Ｂ，Ａ作为输入，通过输入一个高电平来触发Ｂ产生一个
ＭＰＵＩＯ中断，将Ｂ拉成高电平，在中断服务程序中的第一条
指令处再将Ｂ拉成低电平，通过读取示波器值，Ｂ信号的高电
平维持时间就可以作为中断响应时间。
３．２结果及分析
测试结果分别如表１和图４所示，任务调度延时时间大
部分小于６ ｐｓ，ＲＴ ｌｉｎｕｘ ２．０在６０ ＭＨｚ的４８６平台上测试结果
为２５ ｓ ，当然这与平台是紧密相关，只能相对的比较。中断
响应时间为多数为１．５ｐｓ，最坏的不超过３ ｐｓ，在同样的平台上
对时势操作系统Ｎｕｃｌｅｕｓ进行同样的测试，绝大多数响应在
９５０ｎｓ～１１００ｎｓ之间。所以，对于智能手机这类产品来说，上面
的改进是满足要求的。
４结束语
本文提出的Ｌｉｎｕｘ智能手机方案还处于评估试验阶段，对
Ｌｉｎｕｘ的实时性改进是在单纯的环境下得出了较好的效果，但
１０ ００１．１２ ０００ ８５６３ ０．８２ ５６ ０．００ ５２４ ０．０４
１２ ００１．１４ ０００ １７４６ ０．１７ ９５８ ０．１１ ９９３ ０．０７
１４ ００１．１６ ０００ ０ ０．０ ０ ０．００ ０ ０．００
＞１６ ０００ ０ ０．００ ０ ０．００ ０ ０．００
瑚 咖㈣ ０
监
５００ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００
ＭＰＵＩＯ中断响应时间／ｎｓ
图４ 中断响应时间
［
是如果考虑到今后ＤＰＭ（动态电源管理）等功能的添加，典型
＝＝＝＝＝
的对实时性能的一个挑战是ＤＰＭ下深度睡眠方式期间对中
＝
断的响应 ，这还有待于进一步的研究。
＝＝＝＝
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Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００ １．
一
２８１一
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