一種改進(jìn)嵌入式Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的新型方案

對嵌入式linux進(jìn)行實(shí)時(shí)性改進(jìn)是嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文在分析了現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不足的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的改進(jìn)方案(將rtai和uclinux相結(jié)合)，并給出具體的工控應(yīng)用實(shí)例，進(jìn)一步對這種系統(tǒng)的功能進(jìn)行有效驗(yàn)證。
嵌入式實(shí)時(shí)linux架構(gòu)。
嵌入式linux以代碼開放、價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大又易于移植的特性正在被廣泛應(yīng)用，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了一個(gè)極具吸引力的選擇。但許多實(shí)際應(yīng)用，譬如多媒體通信、生產(chǎn)過程控制、在線事務(wù)處理等等都要求對外部事件在限定的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)。因而嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性問題越來越受到關(guān)注，對嵌入式linux進(jìn)行實(shí)時(shí)性改進(jìn)也成為嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

圖1：雙內(nèi)核實(shí)時(shí)系統(tǒng)

本文提出了一種基于uclinux的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)方案。將rtai和uclinux相結(jié)合，既滿足了嵌入式應(yīng)用的需求，同時(shí)又保證了系統(tǒng)的硬實(shí)時(shí)性。此外，還有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、易升級性、易移植性等優(yōu)點(diǎn)。最后結(jié)合基于這一操作系統(tǒng)開發(fā)的重大裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用案例，進(jìn)一步從功能和性能上對其進(jìn)行驗(yàn)證。

現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題

一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。它除了具備一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件功能等，還需要具有以下特點(diǎn)：
1. 更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性；
2. 占有更少的硬件資源；
3. 高可靠性；
4. 提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持tcp/ip協(xié)議及其他協(xié)議；
5. 有些應(yīng)用要求具有實(shí)時(shí)性能。

現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)大致可分為商用型和免費(fèi)型兩類：商用型操作系統(tǒng)由于功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，在嵌入式市場占有一定的份額。但它同時(shí)也存在價(jià)格昂貴、需要版權(quán)、源代碼不公開等一系列問題；免費(fèi)型操作系統(tǒng)(如linux)源碼公開，有價(jià)格方面的優(yōu)勢，但在嚴(yán)格滿足嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用需求方面還有欠缺。

rtai對linux的實(shí)時(shí)性改進(jìn)

現(xiàn)有幾種針對linux的實(shí)時(shí)系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)方法主要包括兩種：
1)直接修改linux內(nèi)核、增加實(shí)時(shí)性，如：montavista；
2)在普通linux內(nèi)核之上增加實(shí)時(shí)模塊、雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如：rtlinux或rtai。

montavista可以滿足用戶的軟實(shí)時(shí)要求，rtlinux或rtai著重增強(qiáng)linux的硬實(shí)時(shí)特性。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)限是柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時(shí)錯(cuò)誤。失敗造成的后果并不嚴(yán)重，僅僅是輕微地降低了系統(tǒng)的吞吐量。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)有一個(gè)剛性的、不可改變的時(shí)間限制，它不允許任何超出時(shí)限的錯(cuò)誤。超時(shí)錯(cuò)誤會帶來損害甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失敗、或者導(dǎo)致系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)它的預(yù)期目標(biāo)。

rtai采用雙內(nèi)核方法，不直接使用linux的任何功能，而是把需要高度時(shí)間精度的工作寫成一個(gè)驅(qū)動程序的形式，然后直接用pc時(shí)序芯片所產(chǎn)生的中斷調(diào)用這個(gè)驅(qū)動程序。rtai與nmt rt-linux的最大不同之處在于，它在linux上定義了一組實(shí)時(shí)硬件抽象層(rthal)。rthal將rtai需要在linux中修改的部分定義成一組程序界面，rtai只使用這組界面和linux溝通。這樣做的好處在于，用戶可以將直接修改的linux核心程序代碼減至最小，這有可能使得將rthal移植到新版linux的工作量減至最低。

但是，rtai雖然滿足了硬實(shí)時(shí)性要求，卻沒有被裁減為足夠小且適用于嵌入式系統(tǒng)。

rtai+uclinux的實(shí)時(shí)方案

uclinux是為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，它本身并沒有更多地關(guān)注實(shí)時(shí)問題。uclinux經(jīng)過小型化改造，形成了一個(gè)高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式linux，并保留了linux大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。它專門針對無mmu的cpu，去除了普通linux內(nèi)核中的虛擬內(nèi)存管理部分。更重要的是，uclinux提供了完整的tcp/ip協(xié)議棧，并支持大量其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為嵌入式系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持。

而從前面的分析可以看出，rtai是基于普通linux內(nèi)核，相對于嵌入式應(yīng)用其內(nèi)核過于龐大；而uclinux本身并沒有更多地關(guān)注實(shí)時(shí)問題。因此，可以將rtai和uclinux相結(jié)合，采用雙內(nèi)核的設(shè)計(jì)方案，既滿足了嵌入式應(yīng)用的需求，又保證了系統(tǒng)的硬實(shí)時(shí)性。

1．硬件抽象層

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是硬件抽象層，通過硬件抽象層進(jìn)行硬件管理，把基本內(nèi)核和實(shí)時(shí)內(nèi)核結(jié)合在一起，其中一個(gè)內(nèi)核的改變，不會影響另一個(gè)內(nèi)核的執(zhí)行。

硬件抽象層定義了本系統(tǒng)同硬件之間的抽象接口，主要用來截取硬件中斷，并且依據(jù)實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)度器的需求，重定向?yàn)榛緝?nèi)核任務(wù)或是實(shí)時(shí)任務(wù)。rthal包含一個(gè)關(guān)鍵的組件：中斷描述符表(idt，interrupt descriptor table)，它定義了一套指針用來處理中斷例程。rthal本身定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)，使得基本內(nèi)核中斷處理函數(shù)能夠很容易地被實(shí)時(shí)處理函數(shù)所替代。這樣，當(dāng)實(shí)時(shí)內(nèi)核通過rthal激活后，新的idt表為合法。在以上控制下，基本內(nèi)核作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的任務(wù)提供服務(wù)。

2．雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)

雙內(nèi)核實(shí)時(shí)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，主要包含了基本內(nèi)核、實(shí)時(shí)內(nèi)核、硬件抽象層、硬件部分。

其中基本內(nèi)核(uclinux)和實(shí)時(shí)內(nèi)核(rtai)分別處理非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度和執(zhí)行，而實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)之間信息的交換要通過管道(fifo)或共享內(nèi)存(mbuff)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，基本內(nèi)核被硬件抽象層屏蔽。即實(shí)時(shí)內(nèi)核將基本內(nèi)核作為優(yōu)先級最低的一個(gè)任務(wù)來運(yùn)行，只有在沒有實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行的時(shí)候才予以調(diào)度。

3.實(shí)時(shí)內(nèi)核動態(tài)加載

嵌入式實(shí)時(shí)linux的實(shí)時(shí)內(nèi)核是動態(tài)加載的。實(shí)時(shí)任務(wù)被激活前，實(shí)時(shí)內(nèi)核并沒有啟動，基本內(nèi)核通過rthal透明訪問硬件，就像rthal不存在一樣。當(dāng)實(shí)時(shí)任務(wù)被激活時(shí)，rthal結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，基本內(nèi)核被實(shí)時(shí)內(nèi)核接管，圖2表明了實(shí)時(shí)內(nèi)核啟動前后，系統(tǒng)發(fā)生的變化。

4．調(diào)度處理

當(dāng)中斷到來時(shí)，實(shí)時(shí)內(nèi)核判斷它是基本內(nèi)核中斷還是屬于實(shí)時(shí)中斷，分別進(jìn)行處理。若是基本內(nèi)核中斷，如果當(dāng)前有實(shí)時(shí)任務(wù)正在運(yùn)行，則只是設(shè)置一下中斷標(biāo)志位，懸掛此中斷，如果沒有實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行，則調(diào)用基本內(nèi)核的中斷處理程序；如果此中斷是實(shí)時(shí)中斷，就直接調(diào)用相對應(yīng)的實(shí)時(shí)中斷處理程序。注意，實(shí)時(shí)中斷可以搶先基本內(nèi)核任務(wù)的執(zhí)行。系統(tǒng)的中斷處理流程如圖3所示。

應(yīng)用案例

工業(yè)控制是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，需要嚴(yán)格的實(shí)時(shí)處理功能、高可靠性和良好的開放性，對開發(fā)環(huán)境、可操作性、成本等也有特別的要求。因此本項(xiàng)研究以重大裝備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)作為其應(yīng)用之一。

1.嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用針對工業(yè)生產(chǎn)中使用的大型設(shè)備在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的遠(yuǎn)程監(jiān)控問題，研究用于重大裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控的嵌入式裝置。系統(tǒng)主要包括輸入/輸出模塊(netio)和輸入/輸出上位模塊(netweb)，前者用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集(輸入)，或用于現(xiàn)場裝置的控制(輸出)，后者集成了web功能，使得用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)對輸入/輸出模塊進(jìn)行訪問。兩類模塊通過網(wǎng)絡(luò)相連接，在本系統(tǒng)中為通過串行485總線。嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2．netweb對嵌入式linux的功能驗(yàn)證

netweb的開發(fā)基于前面介紹的嵌入式實(shí)時(shí)linux操作系統(tǒng)。特殊的雙內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了應(yīng)用開發(fā)的特殊性。 1)任務(wù)管理功能

系統(tǒng)中的任務(wù)可以分為實(shí)時(shí)性任務(wù)和非實(shí)時(shí)性任務(wù)，實(shí)時(shí)任務(wù)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理等方面，這部分的功能要在實(shí)時(shí)內(nèi)核rtai之上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；另外，非實(shí)時(shí)任務(wù)主要包括數(shù)據(jù)存儲、遠(yuǎn)程通訊的實(shí)現(xiàn)，這部分功能要在基本內(nèi)核uclinux之上實(shí)現(xiàn)。

嵌入式實(shí)時(shí)linux將實(shí)時(shí)任務(wù)與非實(shí)時(shí)任務(wù)分開管理，實(shí)施不同的調(diào)度策略和任務(wù)間通信方式，至于實(shí)時(shí)任務(wù)與非實(shí)時(shí)任務(wù)之間的通信可以通過實(shí)時(shí)的fifo或共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)。這樣的功能使應(yīng)用的編寫簡潔清晰、功能明確、調(diào)度靈活，方便了用戶。

2)網(wǎng)絡(luò)功能

嵌入式實(shí)時(shí)linux實(shí)現(xiàn)了嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將web服務(wù)器引入到現(xiàn)場測試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘詔cp／ip為底層通信協(xié)議，web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試和控制設(shè)備。

嵌入式web與傳統(tǒng)web應(yīng)用相比，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將信息采集和信息發(fā)布都集成到現(xiàn)場的測控設(shè)備中。由于有了標(biāo)準(zhǔn)的接口形式和通信協(xié)議，內(nèi)嵌于設(shè)備的web服務(wù)器可以向任何接入它所在網(wǎng)絡(luò)的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面，瀏覽器成了設(shè)備的前端控制板。

3)實(shí)時(shí)性

嵌入式實(shí)時(shí)linux是硬實(shí)時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)。當(dāng)中斷到來時(shí)，若是基本內(nèi)核中斷，如果當(dāng)前有實(shí)時(shí)任務(wù)正在運(yùn)行，則只是設(shè)置一下中斷標(biāo)志位，懸掛此中斷；如果此中斷是實(shí)時(shí)中斷，就直接調(diào)用相對應(yīng)的實(shí)時(shí)中斷處理程序。這樣的調(diào)度機(jī)制可以保證遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)任務(wù)在確定的時(shí)間限度內(nèi)完成，為系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、診斷、控制提供了強(qiáng)有力的支持。

此外，系統(tǒng)還從時(shí)間管理、內(nèi)存管理、中斷管理、同步、互斥管理以及設(shè)備管理等方面對這一操作系統(tǒng)的功能進(jìn)行評估驗(yàn)證。

本文小結(jié)

盡管將linux進(jìn)行嵌入式實(shí)時(shí)性改進(jìn)的方案很多，但是采用rtai＋uclinux的還未見到成型的產(chǎn)品。這一方案既符合嵌入式系統(tǒng)的需求，又達(dá)到硬實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、易升級性、易移植性等優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)，在其上進(jìn)行應(yīng)用編程時(shí)實(shí)時(shí)任務(wù)(基于rtai)和非實(shí)時(shí)任務(wù)(基于uclinux)是分開編寫的，清晰簡潔，但由于用戶需要直接在內(nèi)核空間編程，從系統(tǒng)的安全性角度存在很大隱患。希望可以通過進(jìn)一步討論研究使其更加完善。