uClinux操作系統(tǒng)的實時化分析與研究

3.3 RTAI的中斷處理機制

RTAI的最核心部分就是其中斷處理機制。RTAI構(gòu)建了一個小實時內(nèi)核接管硬件及中斷，支持EDF，RM兩種經(jīng)典實時調(diào)度算法，Linux作為此實時內(nèi)核的最低優(yōu)先級任務(wù)被執(zhí)行。因而實時任務(wù)執(zhí)行時，Linux及其應(yīng)用程序?qū)⒈粨屨肌TAI引入了軟中斷模擬技術(shù)，在發(fā)生硬件中斷時，實時內(nèi)核只是把它放到中斷記錄表中，在沒有實時應(yīng)用運行時才向Linux派發(fā)這些被保留的中斷。同時實時內(nèi)核還監(jiān)控Linux的開/關(guān)中斷原語，以避免這些操作把實際的中斷關(guān)閉而影響實時內(nèi)核的響應(yīng)時間。主要包括以下幾個方面：

①函數(shù)替換

首先是Linux的開/關(guān)中斷等函數(shù)被RTAI提供的函數(shù)所替代，這樣Linux不能真正的關(guān)閉中斷，而只是一個軟件的機制。當(dāng)外設(shè)中斷到來時，RTAI的替換函數(shù)必須檢查硬件中斷標志是否關(guān)閉和調(diào)用是否來自RTAI上下文。在此兩種情況之下，不能直接調(diào)用Linux的中斷處理函數(shù)，中斷分發(fā)器只用于當(dāng)CPU處于Linux上下文并且Linux開中斷時，才調(diào)用Linux的中斷處理例程（ISR）。

②全局變量

RTAI為每個中斷源定義了一個全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struct linux_irq{struct list_head list;

int irq;

int masked;

int pending;}

其中l(wèi)ist_head用于從Linux的中斷掛起隊列中插入或刪除。irq被初始化為此結(jié)構(gòu)體所對應(yīng)的中斷號。masked是一個標志位，可能具有以下3種值：1表示在中斷延遲函數(shù)中設(shè)置；2表示由Linux中斷mask函數(shù)設(shè)置；3表示由Linux中斷unmask函數(shù)設(shè)置。

③中斷傳遞

中斷傳遞可能被RTAI中斷分發(fā)器或Linux的開中斷函數(shù)所調(diào)用。當(dāng)Linux打開中斷時，檢查掛起中斷鏈表是否為空，若不為空，則循環(huán)進行處理，直到所有中斷都被處理為止。其算法如下：

while(irqlist 不空){

從irqlist隊列中取出一個中斷；

if(該中斷正在被屏蔽) continue;

else{關(guān)閉Linux中斷；執(zhí)行中斷處理例程；開中斷；}}

3.4 RTAI的任務(wù)調(diào)度

①細粒度定時器的實現(xiàn)

標準Linux的定時器提供10ms的調(diào)度粒度，不足以達到實時響應(yīng)速度的要求。RTAI通過提高系統(tǒng)時鐘精度改寫了時鐘處理程序，使之支持更高分辨率時鐘的周期模式，引入了兩種定時器模式：periodic（周期性）和one shot（一次性）。對于周期性實時任務(wù)應(yīng)用periodic模式，只需要在初始化時對定時器進行設(shè)置，保證了處理效率；對于非周期實時任務(wù)應(yīng)用one shot模式。在任何時刻，時鐘的下一次中斷間隔由所有定時器中到期最早的一個來決定。一旦定時器到期，內(nèi)核便能夠立刻響應(yīng)，內(nèi)核的響應(yīng)開銷只由中斷服務(wù)的時間所決定，使得實時應(yīng)用的響應(yīng)時間可以達到納秒級的水平，完全可以滿足一般工業(yè)應(yīng)用實時控制的要求。

②調(diào)度機制

在實時任務(wù)之間、實時任務(wù)與Linux應(yīng)用之間提供豐富的通訊機制（如FIFO管道、MBUFF共享內(nèi)存等）進行通信；Linux應(yīng)用可以通過這些通訊機制與實時應(yīng)用交互，同時也可以通過實時內(nèi)核中的實時應(yīng)用代理（LXRT）運行實時任務(wù)。

任何實時任務(wù)的優(yōu)先級都要高于Linux，只有當(dāng)沒有實時任務(wù)運行時，Linux才被調(diào)度，從而保證了RTAI的實時性。任務(wù)的調(diào)度周期在任務(wù)初始化時由程序員指定，也可在某個時刻調(diào)用API修改。rt_task_struct包含多個雙向指針，所有的任務(wù)（包括Linux）都包括在各個鏈表中。如 ready任務(wù)鏈表，其中Linux為鏈表頭，當(dāng)發(fā)生調(diào)度時，RTAI在ready鏈表中搜尋優(yōu)先級最大的任務(wù)并切換執(zhí)行，當(dāng)沒有實時任務(wù)在ready態(tài)時，則切換至Linux系統(tǒng)。

4. RTAI在μClinux上的移植

4.1 RTHAL的移植

圖2基于RTAI的μClinux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)

借鑒RTHAL的思想，對μClinux核心進行改動，將其與中斷控制器隔離，核心中的所有中斷操作指令都被替換成相應(yīng)的宏。對于RTAI的移植而言，最重要的部分就是RTHAL的移植，RTAI絕大部分與處理器相關(guān)的代碼都在這里，這里以作者所使用的S3C4510B（ARM7的核）和μClinux環(huán)境為例進行說明。由于RTAI已經(jīng)有ARM處理器上的版本，因此可以參照ARM7處理器的RTHAL來移植到S3C4510B上。由于μClinux為針對沒有MMU處理器的操作系統(tǒng)，因此RTAI需要去除與MMU相關(guān)的代碼。對于S3C4510B和μClinux，其RTHAL主要包括如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

｛指向IDT的指針;

打開/關(guān)閉中斷函數(shù)(cli,stiflags);

控制中斷mask/unmask函數(shù);

中斷狀態(tài)的數(shù)據(jù)描述符(status,hander,nestedlevel,…);}