基于RTAI的嵌入式Linux硬實時性能的研究與實現(xiàn)

0 引言

Linux是一種能運行于多種平臺、源代碼公開、免費、功能強大、遵守POSIX標準、與Unix兼容的操作系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應用，嵌入式Linux操作系統(tǒng)也在各方面得到了廣泛的應用。但是，作為通用操作系統(tǒng)的Linux，要應用在嵌入式領(lǐng)域，需要作必要的改進。在電能質(zhì)量監(jiān)控等對實時性要求較高的領(lǐng)域，需要將最初按照分時系統(tǒng)目標設計的Linux改造成能支持硬實時性的操作系統(tǒng)。

uClinux操作系統(tǒng)是Linux操作系統(tǒng)的一個嵌入式變種，它作為一種優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的網(wǎng)絡性能，但是它的實時性差,尤其不支持硬實時任務的特點卻極大地限制了其應用。本文利用RTAI對uClinux的實時性進行了擴展，并應用于電能質(zhì)量監(jiān)控實驗平臺，對系統(tǒng)改造前后的實時性能進行了對比分析。

1 嵌入式Linux的實時性分析和擴展

實時系統(tǒng)分為兩類，分別為軟實時（Soft Real-Time）和硬實時（Hard Real-Time）。軟實時是統(tǒng)計意義上的實時，并不能保證特定的任務在特定的時間內(nèi)完成，即便是處理時間超過了截止時間，結(jié)果也是有意義的。而硬實時是時間要求必須嚴格保證的實時，如果系統(tǒng)對某個實時任務的處理未能在某個截止時間開始或者結(jié)束的話，會產(chǎn)生不可預料的后果。因此，硬實時才是真正意義上的實時。Linux雖然也可采取基于優(yōu)先級的調(diào)度策略，并且也將進程分為實時進程和非實時進程，但是Linux的以下幾點特征決定了其本身很難完成硬實時的任務：

1）Linux的內(nèi)核是不可搶占的。如果Linux的核心態(tài)進程在運行時，其他進程不管優(yōu)先級多高都需要等待處于核心態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用返回后才能執(zhí)行。

2）為了保護臨界區(qū)資源，互斥的訪問臨界區(qū)，Linux采用在臨界區(qū)操作時屏蔽中斷的方式，這抑制了系統(tǒng)及時響應外部操作的能力。

3）Linux內(nèi)核（2.6版本以前）采用了較大時間粒度的定時器，時鐘中斷周期為10ms，加大了任務響應的延遲，無法滿足對時間精度要求苛刻的實時應用。

目前實現(xiàn)Linux系統(tǒng)的硬實性的方法，依據(jù)是否對Linux的內(nèi)核進行大規(guī)模修改，可以大致分為兩類：對內(nèi)核進行大規(guī)模修改的兼容內(nèi)核方法和對內(nèi)核進行小規(guī)模改動的雙內(nèi)核方法。后者由于對內(nèi)核改動小，效果明顯且遵守GPL得到了更加廣泛的推廣。它在Linux內(nèi)核之外，以可加載內(nèi)核模塊（Loadable Kernel Module）的形式添加實時內(nèi)核，并用該實時內(nèi)核接管來自硬件的所有中斷，并依據(jù)是否是實時任務決定是否直接響應。這種方法的代表就是新墨西哥州立大學的FSM實驗室推出的RT－Linux和由意大利米蘭理工學院航天工程系發(fā)起的RTAI。

2 RTAI的實現(xiàn)機制

RTAI是實時應用接口Real Time Application Interface的縮寫。它在Linux上定義了一組實時硬件抽象層RTHAL（Real Time Hardware Abstraction Layer），RTHAL將所有需要的Linux內(nèi)部數(shù)據(jù)和函數(shù)的指針集合到一個rthal的結(jié)構(gòu)中。Rthal結(jié)構(gòu)用于截取Linux硬件操作，在雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)工作時，它們可以被RTAI重定向，以取代Linux中原有的函數(shù)；同時RTAI只是用此程序界面與Linux進行溝通。通過這種方法就可以把對 Linux內(nèi)核源碼的改動程度降到最低，可以避免RT－Linux方案對Linux內(nèi)核源碼改動過大的問題，便于在不同Linux版本之間的移植。

RTAI嚴格來說只是一個具備了操作系統(tǒng)核心功能的實時的系統(tǒng)內(nèi)核，它接管了所有的硬件資源，將Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核作為它的一個低優(yōu)先級的任務來運行。RTAI 是一個完全的占先式內(nèi)核，它具備了實時操作系統(tǒng)的諸多特性，如實時的中斷響應，任務對事件的實時響應，細粒度的原子操作等。在RTAI/Linux雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)下，實時性的任務在RTAI的調(diào)度下運行，非實時性和需要利用完善的操作系統(tǒng)功能的任務在Linux調(diào)度下運行。由于Linux操作系統(tǒng)在RTAI下具有的優(yōu)先級很低，當且僅當RTAI沒有實時任務調(diào)度時，Linux才能夠得到運行。RTAI/Linux雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RTAI/Linux雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖

Fig1 Architecture of the RTAI/Linux system

RTAI以Linux的內(nèi)核模塊的形式運行，提供雙內(nèi)核的實時服務。最基本的兩個模塊是rtai_module和 rtai_sched_module，另外還有三個增強功能的模塊rtai_fifos_module、rtai_shm_module和 rtai_lxrt_module。

rtai_module是一個核心模塊，RTHAL在這一模塊里實現(xiàn)，完成對硬件的接管。以關(guān)硬件中斷行為為例說明，Linux系統(tǒng)中原有的關(guān)中斷函數(shù)#define _cli_asm_volatile_(“cli”:::”memory”)直接通過匯編語言對硬件進行操作，而在rtai_module模塊中，Linux中的關(guān)中斷函數(shù)被替換為執(zhí)行{processor[hard_cpu_id()].intr_flag = 0;}?？梢?，Linux關(guān)中斷的執(zhí)行只是改變了RTAI中的中斷標志位，并沒有直接對硬件進行操作。