利用RTLinux開發(fā)嵌入式應用程序的方案

利用RTLinux開發(fā)嵌入式應用程序

對于中國工程師來說，利用實時Linux開發(fā)嵌入式應用程序是他們面臨的困難之一，本人通過這次機會以RTLinux為例，并結合最為業(yè)界關注的是RTAI與各位進行討論，盡管這兩種實現方式在句法細節(jié)上存在差異，但是工作方式基本一樣，所以講述的內容對兩者都適用。

在實時任務與用戶進程通信的過程中，有些實時應用程序無需任何用戶界面即可在后臺平靜地運行，但是，越來越多的實時應用程序確實需要一個用戶界面及其它系統功能，如文件操作或聯網等，所有這些功能都必須在用戶空間內運行?？墒牵脩艨臻g操作是非確定性的，并且與實時操作不兼容。

還好實時Linux具有一種可在時間上減弱實時與非實時操作的機制，這種機制表現為一種稱為實時FIFO的驅動程序。當iNSmod將rtl_fifo.o驅動程序插入Linux內核時，該驅動程序將自己注冊為RTLinux的一部分，并成為Linux驅動程序。一旦插入Linux內核，用戶空間進程和實時任務都可使用實時Linux FIFO。

在進一步探討實時FIFO的細節(jié)之前，還要回顧一下實時應用程序結構的某些部分（圖1）。有效的嵌入式應用程序設計方法是將實時部分與固有的非實時功能分離開來（表1）。假如應用程序的任一部分，如用戶界面、圖形、數據庫或網絡僅需軟實時性能，最好是將該部分寫入用戶空間。然后，僅將必須滿足時序要求的那部分寫成實時任務。

任何硬實時任務都是在RTLinux的控制下運行的，該任務一般可執(zhí)行周期性任務、處理中斷并與I/O設備驅動程序通信，以采集或輸出模擬和數字信息。當實時任務需要告訴用戶進程有一個事件將發(fā)生時，它便將這一消息送給實時FIFO。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數據：從實時任務到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個FIFO。任何讀出或寫入實時任務一側的操作都是非模塊操作，因此rtf_put（）和rtf_get（）都立即返回，而不管FIFO狀態(tài)是什么。

觀察了FIFO這么久（從應用程序的角度看），我是實在看不出她有什么與眾不同。缺省情況下，RTLinux安裝程序將在/dev目錄下創(chuàng)建64個實時FIFO節(jié)點；如果需要，還必須自己創(chuàng)建新的節(jié)點。例如，要創(chuàng)建/dev/rtf80，需采用如下命令：
　　=========================
　　mknod c 150 80；
　　chmod 0666 /dev/rtf80
　　=========================

其中，150是實時FIFO主數，而80是rtf80的次數。

從用戶進程的角度看，實時FIFO可執(zhí)行標準文件操作。從實時任務來看，FIFO有兩種通信方式：直接調用RTLinux FIFO功能，或將FIFO作為一個RTLinux設備驅動程序，并使用open（）、close（）、read（）和write（）操作。要想將FIFO作為一個設備驅動程序，就必須將rtl_cONf.h中的配置變量CONFIG_RTL_POSIX_IO設定為1。

rtf_create_handler（）可設置處理程序功能。每次Linux進程讀或寫FIFO時，rtl_fifo驅動程序都要調用該處理程序。應注意的是，該處理程序駐留在Linux內核，因此當Linux需要調用時，從該處理程序進行任何內核調用都是安全的。從該處理程序到實時任務間的最好通信方法是使用旗語或線程同步功能。最后，FIFO驅動程序還必須對內核存儲器進行配置。因此，實時線程內的rtf_create（）不應調用。相反，可調用init_module（）中的rtf_create（）功能及cleanup_module（）中的rtf_destroy（）功能。

以上介紹太書面，我自己看了一編都犯暈，給大家講一個生動的故事吧！列表1給出了一個采用兩個FIFO的簡單數據采集應用程序的實時部分。兩個FIFO都是在init_module（）創(chuàng)建，并賦予minor numbers 為1和2。在調用rtf_create（minor, size）之前，該程序在已創(chuàng)建該FIFO的情況下調用rtf_destroy（minor）。這種情況就是另一個模塊在開發(fā)過程中未被調用。然后，調用rtf_create_handler（ID, AMP;pd_do_aout）以注冊帶該實時FIFO的數據采集模擬輸出功能pd_do_aout（）。注意，創(chuàng)建實時線程pp_thread_ep（）是因為它是周期性的，其間隔為1/100秒。

每次周期性線程得到系統控制權后，它就調用rtf_put（ID,dataptr,size）以便將數據插入minor number為2的FIFO。Linux進程打開/dev/rtf2，從實時FIFO中讀取并顯示所采集的數據。該進程還打開/dev/rtf1，將數據寫入其它實時FIFO。當用戶移動屏幕滑動器以改變模擬輸出電壓時，進程就向該FIFO寫入一個新的值。RTLinux便調用pd_do_aout（）處理程序，隨后pd_do_aout（）利用rtf_get（）從FIFO獲得值，并調用實際的硬件驅動程序以設置模擬輸出的電壓?？梢钥吹?，實時任務和用戶進程是異步使用FIFO的。

任務間的存儲器共享

FIFO為用戶進程和實時任務的連接提供了一種方便的機制，但將它們作為消息隊列更適合。比如，一個實時線程可利用FIFO記錄測試結果，然后用戶進程就可讀取該結果，并將之存入數據庫文件。

許多數據采集應用程序涉及到內核及用戶空間之間的大量數據。Linux內核v. 2.2.x并沒有為這些空間的數據共享提供任何機制，但v. 2.4.0版本預計會包括kiobuf結構。為解決現有穩(wěn)定內核的這個缺點，RTLinux包括mbuff驅動程序。該驅動程序可利用vmalloc（）分配虛擬內核存儲器的已命名存儲器區(qū)域，它采用的存儲器分配和頁面鎖定技巧跟大多數Linux中bttv幀抓取器驅動程序所用的一樣。

更具體地說，mbuff一頁一頁地將虛擬內存鎖定到實際的物理內存頁面。任何實時或內核任務，或用戶進程在任何時間都可訪問該存儲器。通過將虛擬內存頁面鎖定到物理內存頁面，mbuff可確保所分配的頁面永久駐留在物理內存，而且不會發(fā)生頁面錯誤。換言之，當實時或內核進程訪問所分配的存儲器時，它可確保VMM不被調用。注意：由于實時任務執(zhí)行期間實時Linux凍結標準內核的執(zhí)行，任何對VMM的調用都會引起系統暫停。如果它要訪問并不位于物理RAM內的虛擬存儲頁面，那么即使正常的Linux內核驅動程序也會引起系統故障。

由于mbuff是一種Linux驅動程序，其功能可通過設備節(jié)點/dev/mbuff實現。該節(jié)點可顯示幾個錄入點，其中包括可將內核空間地址映射到用戶空間的mmap（）。它還可以利用錄入點ioctl（）來控制。然而，并不需要復雜的結構及直接調用ioctl。相反，mbuff可為ioctl（）調用提供一個包裹，而且僅僅調用兩個簡單的功能即可配置和釋放共享的存儲緩沖器。

當然，不能從實時任務調用mbuff驅動程序，因為該驅動程序所調用的虛擬存儲器分配功能本身是不確定性操作。分配共享存儲器所需的時間依賴于主系統的存儲器容量以及CPU速度、磁盤驅動器性能和存儲器分配的現有狀態(tài)。因此，只能從模塊的Linux內核一側來分配共享存儲器，比如從init_module（）或一個ioctl（）請求開始。

那么，一個共享緩沖器到底能分配多少存儲器呢？如果不是任務繁重的服務器或圖形應用，建議至少為Linux保留8MB存儲空間。為了獲得優(yōu)化的配置，可在限制存儲器大小的同時測量實時應用程序的性能，以確定需要多少存儲空間。

列表2給出了如何從實時任務和用戶進程方面訪問共享的存儲器。內核模塊和用戶任務采用同樣的功能集。當然，要想使用insmod mbuff.o，還必須將之置于Linux內核中。例如，mbuff_alloc（buf_name, size）可將符號名buf_name分配給一個緩沖器，而mbuff_free（buf_name, mbuf）可將之釋放。

當第一次調用帶有符號緩沖器名的mbuff_alloc（）時，mbuff執(zhí)行實際的存儲器分配。而當從內核模塊或用戶進程再次調用該功能時，它只是簡單地增加使用數（usage count）及將指針返回現有的緩沖器。每次調用mbuff_free（）都會減少使用數，直至為零，這時mbuff就去分配帶符號名的緩沖器。這種方法從多個內核模塊和用戶進程獲得一個指向同一共享緩沖器的指針，從而解決了問題。它還可確保共享緩沖器一直有效，直到最后的應用程序釋放它。請注意，是實時內核還是用戶進程執(zhí)行實際的buf1配置依賴于誰先獲得控制權。

還有一個“笨”方法可在實時應用程序、內核模塊和用戶應用程序間共享存儲器。對于嵌入式應用，該方法還是可以接受的。例如，如果PC帶有128MB RAM，可將線搜索路徑=mem=120m添加進lilo.conf文件（列表3）。當啟動帶有Linux內核和RTLinux 2.3的系統時，Linux僅使用120MB內存。OS也不用剩下的8MB內存（物理地址為0x7F00000到0x7FFFFFF），而是留給在OS下運行的各種任務共享。要想從用戶進程獲取存儲器地址并訪問預留的存儲器，必須用O_RDWR訪問模式來打開/dev/mem驅動程序，然后利用mmap（）保留存儲器（列表4）。而從實時模塊或內核驅動程序一側進行，則必須使用ioremap（0x7F00000, 0x100000）才能獲取這8MB （0x100000字節(jié)）預留內存。

這種方法有利有弊。既不能通過預留內存的所有權，也不能通過讀或寫來獲取控制權。正確地配置和釋放大量內存的機制尚未問世。另外，無論實時進程是否需要，該內存都不能為Linux所用。

也許存儲器共享笨方法的唯一適用場合是專為特定應用而定制的小型嵌入式系統，因為此時可為小型化而放棄使用mbuff驅動程序。

中斷

RTLinux有兩種中斷：硬中斷和軟中斷。軟中斷就是常規(guī)Linux內核中斷，它的優(yōu)點在于可無限制地使用Linux內核調用。這類中斷作為硬中斷處理的第二部分還是相當有用的（由參考文獻5可獲得更多有關Linux環(huán)境下中斷處理的細節(jié)）。

硬（實時）中斷是安裝實時Linux的前提。要安裝中斷處理程序，先調用rtl_request_IRq（…），然后調用rtl_free_irq（）釋放它。依賴于不同的系統，實時Linux下硬（或實時）中斷的延遲是15μs的數量級。較快的處理器具有較好的延遲。如果想在實時處理程序和常規(guī)Linux驅動程序中處理同一設備IRQ，必須為每一個硬中斷單獨設置IRQ。

列表5給出了安裝實時中斷處理程序的過程。RTLinux在執(zhí)行實時中斷處理程序時將禁止IRQ。應注意，該代碼須在退出實時中斷處理程序前調用rtl_hard_enable_irq（）才能重新使能中斷。

有兩個問題影響直接從實時中斷處理程序調用Linux內核功能：內核禁止所有中斷及不定義執(zhí)行內容。還應注意的是，這里也不能執(zhí)行浮點操作。利用實時中斷處理程序來控制線程執(zhí)行是避免出現這些問題的好辦法。本例采用pthread_wakeup_np（）功能來喚醒一個實時線程。中斷處理程序可處理即時的工作，余下的由該線程解決。

SMP結構的優(yōu)點

實時Linux都支持多處理器架構。對稱多處理器（SMP）結構采用了高級可編程中斷控制器（APIC），奔騰級處理器都有片上本地APIC，可為本地處理器傳送中斷。SMP（甚至單處理器母板）都有I/O APIC，可收集來自外設的中斷請求，并將它們傳送給本地APIC。舊的8259 PIC速度很慢，所處理的中斷向量數不充分，迫使設備共享中斷，使得中斷處理更慢。但是，APIC可解決這些問題。通過為每個設備請求設置一個特定的IRQ，系統可減少中斷延遲，APIC還可加速同步代碼。

實時Linux可充分利用APIC。在SMP系統中，實時調度程序利用APIC，而不是采用過時的8254芯片來完成時序分配。由于PC的兼容性，8254位于每一個ISA總線上，而且每一個再編程設備的調用都要占用處理器周期。一個千兆赫CPU要浪費數百個處理器周期來等待8MHz定時器（大約2.5μs）。APIC工作在總線頻率，而且可立即執(zhí)行所有的定時器操作，這意味著必須利用本地APIC時鐘在AMP機器上獲取更高的周期性頻率（雙P-III-500 CPU可在100kHz運行周期性實時線程，而無明顯的性能損失）。

實時Linux能很好地執(zhí)行多處理任務，它為每個CPU實施單獨的進程。調用pthread_create（）可創(chuàng)建一個在現有CPU上運行的線程。還可用pthread_attr_setcpu_np（）將該線程分配給一個特定的CPU，以改變線程屬性。在調用這一功能之前，必須首先初始化線程屬性。

RTLinux v. 3包括reserve_cpu功能，可預留SMP平臺上的一個CPU，專供RTLinux使用。它可運行于2.4x內核，RTAI也具有幾乎同樣的功能。

如果想將任務分給某一特定的CPU，請留意“pset”方案（http://isunix.it.ilstu.edu/thockin/pset/）。利用該內核可將一個SMP處理器專門分配給一個用戶應用程序，甚至可從Linux處理器組中調用一個處理器專用于實時任務。

同步基元

早期的實時Linux沒有同步基元?，F在，POSIX型的旗語、互斥和信號在最新的實時Linux版本中都已出現。雖然在實時設計中采用這些同步基元還存在問題，但同步或用信號表示實時任務和用戶應用程序很有意義，然而，這要求軟件開發(fā)者具有高超的技能，這一問題已超出本文的討論范圍。

快速學習pthread_mutex_init（）、pthread_mutex_lock（）、pthread_mutex_trylock（）、pthread_mutex_unlock（）和pthread_mutex_destroy（）等同步功能的最好方法是查看。/examples/mutex/mutex.c。特別要提醒的是。/examples/mutex/sema_Test.c文件是學習旗語的很好起點。

實時Linux發(fā)展方向

實時Linux與Linux一樣仍然處于不斷發(fā)展之中。每一個新的版本都添加了更多的特性和功能。實時Linux正朝著更好的POSIX 1003.x實現方向發(fā)展，最新的特性包括用戶空間進程的實時支持、互斥、信號、旗語、實時存儲器管理和擴展的SMP支持等。如果還未確定下一個項目采用哪個實時系統，可下載一種實時Linux版本了解一下。其實，Linux已經是一種成熟的OS，而且具備實時擴展版本，它是嵌入式應用的最佳選擇之一。

RTLinux的特點

在Linux 操作系統中，調度算法（其于最大吞吐量準則）、設備驅動、不可中斷的系統調用、中斷屏蔽以及虛擬內存的使用等因素，都會導致系統在時間上的不可預測性，決定了Linux操作系統不能處理硬實時任務。RTLinux為避免這些問題，在Linux內核與硬件之間增加了一個虛擬層（通常稱作虛擬機），構筑了一個小的、時間上可預測的、與Linux內核分開的實時內核，使得在其中運行的實時進程滿足硬實時性。并且RTLinux和Linux構成一個完備的整體，能夠完成既包括實時部分又包括非實時部分的復雜任務。

軟實時的實現

RTLinux通過一個高效的、可搶先的實時調度核心來全面接管中斷，并把Linux作為此實時核心的一個優(yōu)先級最低的進程運行。當有實時任務需要處理時，RTLinux運行實時任務；無實時任務時，RTLinux運行Linux的非實時進程。在Linux進程和硬件中斷之間，本來由Linux內核完全控制，現在在Linux內核和硬件中斷的地方加上了一個RTLinux內核的控制。Linux的控制信號都要先交給RTLinux內核進行處理。在RTLinux內核中實現了一個虛擬中斷機制，Linux本身永遠不能屏蔽中斷，它發(fā)出的中斷屏蔽信號和打開中斷信號都修改成向RTLinux發(fā)送一個信號。如在Linux里面使用“SI”和“CLI”宏指令，讓RTLinux里面的某些標記做了修改。也就是說將所有的中斷分成Linux中斷和實時中斷兩類。如果RTLinux內核接收到的中斷信號是普通Linux中斷，那就設置一個標志位；如果是實時中斷，就繼續(xù)向硬件發(fā)出中斷。在RTLinux中執(zhí)行STI將中斷打開之后，那些設置了標志位表示的Linux中斷就繼續(xù)執(zhí)行，因此，CLI并不能禁止RTLinux內核的運行，卻可以用來中斷Linux。Linux不能中斷自己，而RTLinux可以。

RTLinux在默認的情況下采用優(yōu)先級的調度策略，即系統調度器根據各個實時任務的優(yōu)先級來確定執(zhí)行的先后次序。優(yōu)先級高的先執(zhí)行，優(yōu)先級低的后執(zhí)行，這樣就保證了實時進程的迅速調度。同時RTLinux也支持其它的調度策略，如最短時限最先調度、確定周期調度。RTLinux將任務調度器本身設計成一個可裝載的內核模塊，用戶可以根據自己的實際需要，編寫適合自己的調度算法。

對于一個操作系統而言，精確的定時機制雖然可以提高任務調度器的效率，但會增加CPU處理定時中斷的時間開銷。RTLinux對時間精度和時鐘中斷處理的時間開銷進行了折中考慮。不是像Linux那樣將8254定時器設計成10ms產生一次定時中斷的固定模式，而是將定時器芯片設置為終端計時中斷方式。根據最近的進程的時間需要，不斷調整定時器的定時間隔。這樣不僅可以獲得高定時精度，同時中斷處理的開銷又最小。

硬實時的實現

硬件實時部分被作為實時任務來執(zhí)行，并從外部設備拷貝數據到一個叫做實時有名管道（RTFIFO）的特殊I/O端口；程序主要部分作為標準Linux進程來執(zhí)行。它將從RTFIFO中讀取數據，然后顯示并存儲到文件中，實時部分將被寫入內核。設計實時有名管道是為了使實時任務在讀和寫數據時不被阻塞。

RTLinux將標準Linux內核作為簡單實時操作系統（RTOS）里優(yōu)先權最低的線程來運行，從而避開了Linux內核性能的問題。 從圖3可以看出，RTLinux擁有兩個內核。這就意味著有兩組單獨的API，一個用于Linux環(huán)境，另一個用于實時環(huán)境。此外，為保證實時進程與非實時Linux進程不順序進行數據交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊列。RT-FIFO被Linux視為字符設備，最多可達150個，分別命名為/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最大的RT-FIFO數量在系統內核編譯時設定。

RTLinux程序運行于用戶空間和內核態(tài)兩個空間。RTLinux提供了應用程序接口。借助這些API函數將實時處理部分編寫成內核模塊，并裝載到RTLinux內核中，運行于RTLinux的內核態(tài)。非實時部分的應用程序則在Linux下的用戶空間中執(zhí)行。這樣可以發(fā)揮Linux對網絡和數據庫的強大支持功能。

Alex Ivchenko博士是聯合電子實業(yè)公司的研發(fā)工程經理，也是該公司PowerDAQ II系列PCI數據采集板的主要開發(fā)者之一。最近，他正為該系列卡編寫Linux驅動程序。可通過電子郵件aivchenko@ueidaq.com與他聯系。

講了這么大段，不知道大家有沒對RTLinux進一步了解，或許在不久的將來，你也會深深的愛上她，我們來總結下：上面我們一共討論了她的日常生活（運作），她的與眾不同，當然她的外貌也是揮之不去的，下面為了鄉(xiāng)親們的幸福，我特地請教了谷歌大哥RTLinux的出生背景和她的生日哦！大家努力研讀吧！幸福在向我們招手！

RTLinux大掃盲：

RTLinux（AReal-Time Linux,亦稱作實時Linux）是Linux中的一種實時操作系統。它由新墨西哥礦業(yè)及科技學院的V. Yodaiken開發(fā)。目前，RTLinux有一個由社區(qū)支持的免費版本，稱為RTLinux Free，以及一個來自FSMLabs的商業(yè)版本，稱作RTLinux Pro。

RTLinux是由美國新墨西哥州的fsmlabs（finite state machine labs, 有限狀態(tài)機實驗室）公司開發(fā)的、利用linux開發(fā)的面向實時和嵌入式應用的操作系統。在rtlinux宣言中，這樣描述rtlinux ： rtlinux is the hard realtime variant of linux that makes it possible to control robots, data acquisition systems, manufacturing plants, and other time-sensitive instruments and machines。

到目前為止，RT-Linux已經成功地應用于航天飛機的空間數據采集、科學儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領域，在電信、工業(yè)自動化和航空航天等實時領域也有成熟應用。隨著信息技術的飛速發(fā)展，實時系統已經滲透到日常生活的各個層面，包括傳統的數控領域、軍事、制造業(yè)和通信業(yè)，甚至連潛力巨大的信息家電、媒體廣播系統和數字影像設備都對實時性提出了愈來愈高的要求。

RT-Linux開發(fā)者并沒有針對實時操作系統的特性而重寫Linux的內核，因為這樣做的工作量非常大，而且要保證兼容性也非常困難。將linux的內核代碼做一些修改，將linux本身的任務以及l(fā)inux內核本身作為一個優(yōu)先級很低的任務，而實時任務作為優(yōu)先級最高的任務。即在實時任務存在的情況下運行實時任務，否則才運行l(wèi)inux本身的任務。TRLinux能夠創(chuàng)建精確運行的符合POSIX.1b標準的實時進程；并且作為一種遵循GPL v2協議的開放軟件，可以達GPL v2協議許可范圍內自由地、免費地使用、修改和再發(fā)生。

它是Linux在實時性方面的擴展，采用已獲得專利的雙核技術：一個微型的RTLinux內核把原始的Linux內核作為它在空閑時的一個線程來運行。這開啟了在兩個不同的內核層面上DD實時的RTLinux內核和常用的，非實時的Linux內核DD運行不同程序的新方式。原始的Linux內核通過RTLinux內核訪問硬件。這樣，所有硬件實際上都是由RTLinux來進行管理的。目前，有兩種不同的RTLinux版本：RTLinux/Free（或者RTLinux/Open）和RTLinux/Pro. RTLinux/Pro是一個由FSMLabs開發(fā)的完全商業(yè)版本的實時linux。RTLinux/Free是一個由社區(qū)開發(fā)的開源版本。