嵌入式Linux實(shí)時(shí)化技術(shù)

　　● 雙內(nèi)核方式

　　Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化雙內(nèi)核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等為典型代表。其中RTLinux實(shí)現(xiàn)了一個(gè)微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持底層任務(wù)管理、中斷服務(wù)例程、底層任務(wù)通信隊(duì)列等。普通Linux作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，Linux下的任務(wù)通過(guò)FIFO命名管道和實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行通信，如圖1所示。

　　當(dāng)Linux要關(guān)閉中斷時(shí)，實(shí)時(shí)微內(nèi)核會(huì)截取并記錄這個(gè)請(qǐng)求，通過(guò)軟件來(lái)模擬中斷控制器，而沒有真正關(guān)閉硬件中斷，避免了由于關(guān)中斷所造成的響應(yīng)延遲。RT-Linux將系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置為單次觸發(fā)模式，提供微秒級(jí)的時(shí)鐘精度。RTAI類似RTLinux的實(shí)現(xiàn)方式，不同之處在于它修改了體系結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼，形成一個(gè)實(shí)時(shí)硬件抽象層(RTHAL)，使其實(shí)時(shí)任務(wù)能在任何時(shí)刻中斷普通Linux任務(wù)，兩者之間通過(guò)非阻塞隊(duì)列進(jìn)行通訊。RTAI將直接修改Linux內(nèi)核的代碼減至最少，具有更好的可移植性。Xenomai以RTAI為基礎(chǔ)，也稱RTAI /Fusion。采用了Adeos微內(nèi)核替代RTAI的硬件抽象層。其特色還在于模仿了傳統(tǒng)RTOS的API接口，推動(dòng)傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用在GNU/Linux下的移植。類似還有基于Fiasco微內(nèi)核的L4Linux等開源項(xiàng)目。

　　● 內(nèi)核補(bǔ)丁方式

　　雙內(nèi)核實(shí)時(shí)方案下，實(shí)時(shí)任務(wù)需要按照微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的另外一套API進(jìn)行設(shè)計(jì)。而內(nèi)核補(bǔ)丁方式則不改變Linux的API，原有應(yīng)用程序可在實(shí)時(shí)化后的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，典型的有早期研究性的Kurt-Linux和Red-Linux，商業(yè)版本的MontaVista、TimeSys 和Wind River Linux，以及現(xiàn)階段Ingo Monlnar等人開發(fā)的實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁內(nèi)核等[3]。

　　Kurt-Linux是第一個(gè)基于普通Linux的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。通過(guò)正常態(tài)、實(shí)時(shí)態(tài)和混合態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的劃分。RED-Linux通過(guò)任務(wù)多種屬性和調(diào)度程序，可以實(shí)現(xiàn)多種調(diào)度算法。采用軟件模擬中斷管理，并在內(nèi)核插入了許多搶占點(diǎn)，提高了系統(tǒng)調(diào)度精度。

　　MontaVista Linux在低延遲補(bǔ)丁以及可搶占內(nèi)核補(bǔ)丁基礎(chǔ)上[4]，通過(guò)開發(fā)內(nèi)核O(1)實(shí)時(shí)調(diào)度程序并對(duì)可搶占內(nèi)核進(jìn)行了改進(jìn)和測(cè)試，Linux 2.4內(nèi)核時(shí)代，MontaVista Linux 作為商業(yè)成熟產(chǎn)品在實(shí)時(shí)性上有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。TimeSys Linux通過(guò)內(nèi)核模塊的方式也提供了高精度時(shí)鐘、優(yōu)先級(jí)繼承mutex等支持。

　　2.6版本的主流內(nèi)核吸收了以上技術(shù)，支持CONFIG_PREEMPT_NONE，CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY和CONFIG_PREEMPT等多種配置選項(xiàng)。分別適合于計(jì)算型任務(wù)系統(tǒng)，桌面用戶系統(tǒng)和毫秒級(jí)延遲嵌入式系統(tǒng)。2005年，針對(duì)2.6內(nèi)核MontaVista推出了實(shí)時(shí)Linux計(jì)劃，推進(jìn)了Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)化進(jìn)程。隨后Ingo Molnar發(fā)布了新的實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁，并逐漸成為L(zhǎng)inux內(nèi)核實(shí)時(shí)主流技術(shù)，也為包括MontaVista Linux，Wind River Linux采用和補(bǔ)充，本文后續(xù)內(nèi)容要涉及實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁。