Optimizing RHEL 9 for Real Time for low latency operation——Red Hat 9 实时调度政策介绍

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2025/02/13/Optimizing RHEL 9 for Real Time for low latency operation——Red Hat 9 实时调度政策介绍

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Red Hat 9 实时调度政策介绍

在 Red Hat 9 实时系统中，调度器是决定可运行线程的内核组件。每个线程都有相关的调度策略和静态调度优先级（称为 sched_priority）。调度是抢占式的，因此当静态优先级更高的线程准备运行时，当前运行的线程就会停止。然后，正在运行的线程会返回其静态优先级的等待列表。

所有 Linux 线程都有以下一种调度策略：

SCHED_OTHER 或 SCHED_NORMAL：为默认策略。

SCHED_BATCH：与 SCHED_OTHER 类似，但采用递增定向。

SCHED_IDLE：是优先级低于 SCHED_OTHER 的策略。

SCHED_FIFO：是先进先出的实时策略。

SCHED_RR：是循环实时策略。

SCHED_DEADLINE：是一种调度策略，用于根据作业的截止日期确定任务的优先级。绝对截止日期最早的任务优先运行。

一、调度政策

实时线程的优先级高于标准线程。策略的调度优先级值从最小值 1 到最大值 99 不等。

以下政策对实时性至关重要：

SCHED_OTHER 或 SCHED_NORMAL 策略

这是 Linux 线程的默认调度策略。它有一个动态优先级，由系统根据线程的特性进行更改。SCHED_OTHER 线程的 nice 值介于 -20 和 19 之间，前者是最高优先级，后者是最低优先级。SCHED_OTHER 线程的默认 nice 值为 0。

SCHED_FIFO 策略

与 SCHED_OTHER 任务相比，使用 SCHED_FIFO 的线程具有更高的优先级。SCHED_FIFO 使用介于 1（最低值）和 99（最高值）之间的固定优先级，而不是使用 nice 值。优先级为 1 的 SCHED_FIFO 线程总是比 SCHED_OTHER 线程优先调度。

SCHED_RR 策略

SCHED_RR 策略与 SCHED_FIFO 策略类似。优先级相同的线程以循环方式调度。SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 线程一直运行到下列事件之一发生为止：

线程进入睡眠或等待事件。
优先级更高的实时线程准备运行。

除非发生上述事件之一，否则线程会在指定处理器上无限期运行，而低优先级线程会留在队列中等待运行。这可能会导致系统服务线程常驻，无法被交换出去，也会导致文件系统数据刷新失败。

SCHED_DEADLINE 策略

SCHED_DEADLINE 策略规定了时间要求。它根据任务的截止日期对每个任务进行调度。具有最早截止时间优先（EDF）计划的任务最先运行。
内核要求 runtime⇐deadline⇐period 为 true。所需选项之间的关系是 runtime⇐deadline⇐period。

二、sched_deadline 策略的参数

每个 SCHED_DEADLINE 任务都有周期、运行时间和截止时间参数。这些参数的值都是纳秒整数。

参数	单位	描述	关键约束
period	纳秒	周期是指实时任务的激活模式。例如，如果一个视频处理任务每秒要处理 60 个帧，那么每 16 毫秒就会有一个新帧排队等待处理。因此，周期为 16 毫秒。	T > 0
runtime	纳秒	运行时间是指分配给任务产生输出的 CPU 执行时间。在实时情况下，运行时间就是最大执行时间，也称为 "最坏情况执行时间"（WCET）。例如，如果一个视频处理工具在最坏的情况下需要 5 毫秒来处理一幅图像，那么运行时间就是 5 毫秒。	C ≤ D ≤ T
deadline	纳秒	deadline 是产出的最长时间。例如，如果任务需要在十毫秒内传送处理过的帧，那么截止时间就是十毫秒。	D ≤ T

三、参数关系

1. 基础约束

C ≤ D ≤ T

运行时间必须小于等于截止时间，截止时间必须小于等于周期，否则会导致：

C > D：无法在截止时间内完成执行
D > T：下一周期激活时当前周期任务未完成

利用率约束

单任务CPU利用率：U = C/T ≤ 1

多任务总利用率：Σ(C_i/T_i) ≤ 1（多核时为Σ ≤ CPU核心数）

2. 动态行为

周期重置每个周期结束时，参数重置，任务重新激活

Deadline排序调度器优先执行最紧迫（最小Deadline）的任务

四、参数设置示例

示例1：视频处理任务


Period (T): 16ms   → 60帧/秒
Runtime (C): 5ms   → 单帧处理WCET
Deadline (D): 10ms → 输出延迟要求

参数验证：
C(5ms) ≤ D(10ms) ≤ T(16ms)
利用率 U = 5/16 ≈ 31.25%

示例2：工业控制任务


Period (T): 50ms   → 20Hz控制频率
Runtime (C): 15ms  → 控制算法执行时间
Deadline (D): 50ms → 必须在本周期完成

参数验证：
C(15ms) ≤ D(50ms) = T(50ms)
利用率 U = 15/50 = 30%

示例3：多任务系统


任务A: T=20ms, C=5ms, D=10ms → U=25%
任务B: T=30ms, C=10ms, D=20ms → U≈33.33%
总利用率 = 25% + 33.33% = 58.33% < 100% → 可调

五、参数设置原则

Deadline选择

典型值：D = T（硬实时）或 D < T（允许缓冲）

过小D会增加调度失败风险

Runtime估算

建议：WCET × 安全系数（如1.2-1.5）

测量方法：最坏情况压力测试

Period确定

根据业务需求的最小激活频率

避免过小导致高利用率

六、常见错误配置

错误类型	后果	解决方案
C > D	必然错过截止时间	优化代码或调整D
D > T	任务堆积	设置D ≤ T
ΣU > 100%	系统不可调度	减少任务数或优化C

七、高级应用

资源预留

通过C/T预留固定CPU带宽，适用于关键任务

动态调节

运行时根据负载调整参数（需内核支持）

多核扩展

使用cpuset绑定CPU核心，减少跨核调度开销