嵌入式 Linux 应对 SD/USB 突发写入导致关键应用停滞指南

应对 Linux 上 SD/USB 突发写入引起的嵌入式 Linux 关键时间应用停滞

在嵌入式 Linux 开发中，SD 卡或 USB 存储器上突发写入会导致关键时间应用停滞是一个常见问题。本文将探究这一问题的潜在原因并提供解决方法，以帮助开发者优化应用程序性能。

问题

当将视频数据写入外部存储设备（如 SD 卡或 USB 存储器）时，应用程序可能会出现每隔一段时间就停滞的情况。这种停滞通常是由操作系统将数据刷新到磁盘的方式引起的。

解决方案

解决这一问题的策略包括：

文件系统同步

禁用文件系统同步：

默认情况下，Linux 每隔一段时间（通常为 5 秒）会将缓存中的数据刷新到磁盘。这会导致突发写入，从而导致应用程序停滞。通过禁用文件系统同步（如使用 mount -o async 命令），我们可以消除这种突发写入。但是，这可能会降低数据完整性，不建议用于关键时间应用。

调整文件系统同步频率：

我们可以通过调整 pdflush 守护进程的参数来调整文件系统同步频率。pdflush 是负责将数据刷新到磁盘的内核守护进程。通过增加 pdflush 的运行频率，我们可以减少突发写入的频率。然而，这可能会增加 CPU 负载。

更改文件系统缓存策略：

某些文件系统，如 ext4，提供了不同的缓存策略。通过选择“writeback”缓存策略，我们可以将写入操作延迟到更合适的时间，从而避免突发写入。

应用程序优化

使用实时补丁：

实时补丁可以为 Linux 内核添加实时功能，从而提供更可预测的性能。这些补丁可以减少内核中的延迟并提高优先级调度，从而改善关键时间应用的性能。

调整应用程序写入模式：

通过将较大的写入操作分解为较小的分块，我们可以减少突发写入的规模。这可以减轻对文件系统和存储设备的影响。

使用直接 I/O：

直接 I/O 绕过文件系统缓存，直接与块设备交互。这可以提高写入性能，但需要更多的手动管理。

存储设备优化

选择高性能存储设备：

使用具有较高写入速度的存储设备可以缓解突发写入的影响。固态硬盘（SSD）通常比传统硬盘驱动器（HDD）具有更好的写入性能。

使用文件系统级缓存：

一些文件系统，如 tmpfs，提供内存中的缓存，可以显著提高写入性能。然而，需要注意的是，tmpfs 中的数据在系统重启后会被丢失。

了解文件系统状态

为了让应用程序了解文件系统状态，我们可以使用以下方法：

使用 fstat() 函数：

fstat() 函数返回文件状态信息，包括当前写入积压。这可以帮助应用程序调整写入速率或采取其他措施以避免停滞。

使用 perf 工具：

perf 工具可以提供有关内核性能的详细统计信息，包括文件系统活动。这可以帮助开发人员识别和解决文件系统性能问题。

结论

通过采取上述措施，开发者可以显著减少 Linux 上 SD/USB 突发写入引起的嵌入式 Linux 关键时间应用停滞。通过理解文件系统行为并优化应用程序和存储设备，开发者可以确保关键时间应用可靠、高性能地运行。

常见问题解答

1. 我的嵌入式设备无法使用实时补丁，还有其他选择吗？

可以考虑使用实时文件系统，如 RTFS 或 Xenomai RT 文件系统。这些文件系统专为实时应用而设计，提供低延迟和可预测的性能。

2. 我必须在所有文件系统上禁用文件系统同步吗？

不，仅需要在写入突发写入会导致问题的文件系统上禁用文件系统同步。其他文件系统，如根文件系统，可能需要保持同步以确保数据完整性。

3. 直接 I/O 复杂吗？

使用直接 I/O 需要更多的手动管理，但对于需要最高性能的应用来说可能是值得的。有许多资源和文档可用于帮助开发者学习如何使用直接 I/O。

4. 使用 tmpfs 有什么缺点？

tmpfs 中的数据在系统重启后会被丢失，因此不适合存储持久数据。此外，tmpfs 的大小通常受到系统内存的限制。

5. 我如何监视文件系统性能以识别潜在问题？

可以使用 perf 工具或其他性能分析工具监视文件系统性能。通过分析写入操作的延迟和吞吐量，可以识别和解决文件系统性能瓶颈。