如何在非實時linux上實現(xiàn)實時應用程序與內(nèi)核模塊之間共享存儲器

linux并不是嚴格意義上的實時操作系統(tǒng)，為了實際需要，工程師們必須想盡辦法來禰補這一不足，于是出現(xiàn)了rtlinux和rtai等并不強調(diào)商業(yè)性的軟件。免費的rtlinux顯然龐大而并不兼容大部分的嵌入式平臺，最新版本的rtlinux也只能支持I386和PPC而已。Rtai是不錯的選擇，但要把它移植到你的平臺上去，為了適應你的linux版本，你的CPU，你必須的花費許多的工作，比如說最近比較流行的AT91RM9200DK，光修改linux版本補丁就要花費許多的功夫。Rtlinux和rtai為了增強linux操作系統(tǒng)的實時性，主要是通過開辟內(nèi)核模塊與應用程序之間可以共享的內(nèi)存快來實現(xiàn)的。它們在內(nèi)核空間控制硬實時任務的運行，并通過一個名為FIFO的共享內(nèi)存塊來與應用程序進行通信。他們是很不錯的軟件，我想用不了多久他們就會具備更強大的可移植性。但我在本文主要是想詳細的介紹一個適合小型嵌入式系統(tǒng)使用的增強linux操作系統(tǒng)實時性的方法。當然，原理也是開辟一個實時應用程序與內(nèi)核模塊之間可以共享的內(nèi)存。

眾所周知，內(nèi)核空間和用戶空間只能通過系統(tǒng)調(diào)用來共享數(shù)據(jù)，如果進程要等待一個中斷的發(fā)生，它所能做的就是把自己掛在等待隊列里，直到中斷服務程序來喚醒它。然后，進程才把內(nèi)核空間的的數(shù)據(jù)通過特定的系統(tǒng)調(diào)用寫到用戶空間里。大部分程序員為了避免這樣造成的不可忍耐的延時，都會把對數(shù)據(jù)的操作都放在內(nèi)核空間里運行，也就是擴大中斷服務程序的功能。但如果開辟兩個空間可以共享的內(nèi)存塊，程序員就不必要這么為難了。我以AT91RM9200DK的平臺為例，linux操作系統(tǒng)版本為2.4.19－rmk7，不需要半天時間，就可以實現(xiàn)兩個空間的共享內(nèi)存。

AT91RM9200DK的SDRAM的大小為31Mbyte，正常情況下，System RAM的大小也是31Mbyte，我們要把31Mbyte的高端地址空出2M來作為我們的共享內(nèi)存塊，這個內(nèi)存塊是獨立的，不能為linux操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理所用了。首先必須通知內(nèi)核它的內(nèi)存只有30Mbyte了，我的方法是在u-boot的環(huán)境變量里設置mem＝29M。然后在include/asm-arm/目錄下建立頭文件：new_fifo.h，代碼如下：

#ifndef NEW_FIFO
#define NEW_FIFO
#endif
#ifdef NEW_FIFO
#define AT91_NEW_FIFO_BASE 0x21d00000
#define num_base(a) (0x21d00000 (0x1000 * a))
/SDRAM最后1M空間的起始地址，我把它以0x1000Byte的大小劃分成256個FIFO/

#define SPI_NUM_FIFO 2

/SPI設備占用了一個FIFO,是第三個FIFO/
#define MAX_NUM_FIFO 256
#define READONLY 0
#define READEN 0x1
#define WRITONLY 0x2
#define WRITEN 0x4
typedef struct new_fifo{
int code,key;
int start,size;
int flags;
char data[4000]; /數(shù)據(jù)區(qū)/
int endflag;
} *at91_fifo;

static char * new_fifo_fun(int num,int flags,int code,int size)
{
at91_fifo fifo_p;
int num_addr;
char * data;
if(num > MAX_NUM_FIFO)
return -1;
num_addr = num_base(num);
/printk("the num_addr is %p n",num_addr);
fifo_p = (at91_fifo)ioremap(num_addr,(1024 * 4));
/ printk("the fifo_p is %pn",fifo_p);
fifo_p->code = code;
/ printk("the code addr is %pn",(fifo_p->code));
fifo_p->flags = flags;
fifo_p->size =size;
data = (fifo_p->data[0]);
/printk("the data addr is %pn",data);
return data;
}
#endif

在設備驅(qū)動程序中，首先在注冊中斷服務程序之前，要調(diào)用new_fifo_fun函數(shù)，得到數(shù)據(jù)區(qū)首地址的指針。這個指針在這個設備驅(qū)動程序中可被設置成全程變量。然后在中斷服務程序中直接對數(shù)據(jù)進行讀寫。
比如說，在文件頭部寫：
static char * data;
然后在初始化文件中，注冊中斷之前加入：
data = new_fifo_fun(SPI_NUM_FIFO,WRITEN,0,100);
最后在中斷服務程序中加入：
for(i=0;i100;i )
*(data ) = i;
接下來，需要做的工作必須到用戶空間去做，我設計了一個簡單的進程，就是讀取SPI的FIFO空間的數(shù)據(jù)，通過/dev/mem來讀取SDRAM高地址的數(shù)值，使用的是mmap函數(shù)，全文如下：
#include sys/types.h>
#include stdio.h>
#include sys/stat.h>
#include unistd.h>
#include sys/mman.h>
#include sys/fcntl.h>
#include dirent.h>
#include stdlib.h>
#include errno.h>
#include string.h>
#include assert.h>
#include getopt.h>


main()
{
int *mmaddr;
int i,fd;

fd=open("/dev/mem", O_RDWR);
mmaddr = (int *)mmap(0, 1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fd, 0x21d02000);
for(i=0;i10;i )
{printf("the mmaddr data is %pn",*(mmaddr ));
printf("%dn",i);

}
}
打印出來的結(jié)果是：
the mmaddr data is (nil)
0
the mmaddr data is 0xd24e92c2
1
the mmaddr data is 0xf01ab26d
2
the mmaddr data is 0x64
3
the mmaddr data is 0x4
4
the mmaddr data is 0x3020100
5
the mmaddr data is 0x7060504
6
the mmaddr data is 0xb0a0908
7
the mmaddr data is 0xf0e0d0c
8
the mmaddr data is 0x13121110
9
太好了，說明我們數(shù)據(jù)讀寫都成功拉。同樣的，如果要把用戶空間的數(shù)據(jù)寫到內(nèi)核空間也是可以的。只不過實時系統(tǒng)比較少有這樣的要求。如果這個時候，進程在用戶空間監(jiān)視FIFO里的某幾個數(shù)值，當這個數(shù)值變得符合要求的時候，進程認為中斷已經(jīng)發(fā)生，并可以讀取數(shù)據(jù)了。
但是，直接對共享內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)操作比通過系統(tǒng)調(diào)用能夠增加多少的實時性呢？這個我沒有進行精確的計算，但以前我做過一個試驗：用2.4.14版本的linux，平臺以MPC823E（motorola的PPC）為CPU，主頻為50M，擴展了一個語音壓縮調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的中斷線中斷頻率是幾乎1ms一次。使用系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果就是10個中斷的數(shù)據(jù)幾乎就被有沖掉3－4個，因為語音的要求系統(tǒng)又不能開更多的緩存，后來就使用了這篇文章里說的這個方法，0.1ms級的中斷都扛住了。這對以后平臺上跑更多的進程比較有保障。