硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)-RTLinux

摘要：介紹了RTLinux的兩個(gè)重點(diǎn)特點(diǎn)：硬實(shí)時(shí)性和完備性，及其在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的一些重要功能，并結(jié)合實(shí)時(shí)處理的具體實(shí)例對(duì)其編程方法加以說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)處理 Linux 嵌入式系統(tǒng)

近年來(lái)，基于PC的嵌入式系統(tǒng)得到迅速的發(fā)展。在各種不同的操作系統(tǒng)中，由于Linux操作系統(tǒng)的廉價(jià)、源代碼的開(kāi)放性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使其在基于PC的嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。RTLinux(RealTime Linux)[1]是一種基于Linux的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是由FSMLabs公司（Finite State Machine Labs Inc.）推出的與Linux操作系統(tǒng)共存的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它能夠創(chuàng)建精確運(yùn)行的符合POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)進(jìn)程；并且作為一種遵循GPL v2協(xié)議的開(kāi)放軟件，可以達(dá)GPL v2協(xié)議許可范圍內(nèi)自由地、免費(fèi)地使用、修改和再發(fā)生。本文介紹了RTLinux的特點(diǎn)及功能，并結(jié)合一個(gè)實(shí)時(shí)處理的具體實(shí)例對(duì)其編程方法加以說(shuō)明。

1 RTLinux的特點(diǎn)

在Linux操作系統(tǒng)中，調(diào)度算法（其于最大吞吐量準(zhǔn)則）、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、不可中斷的系統(tǒng)調(diào)用、中斷屏蔽以及虛擬內(nèi)存的使用等因素，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在時(shí)間上的不可預(yù)測(cè)性，決定了Linux操作系統(tǒng)不能處理硬實(shí)時(shí)任務(wù)。RTLinux為避免這些問(wèn)題，在Linux內(nèi)核與硬件之間增加了一個(gè)虛擬層（通常稱作虛擬機(jī)），構(gòu)筑了一個(gè)小的、時(shí)間上可預(yù)測(cè)的、與Linux內(nèi)核分開(kāi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，使得在其中運(yùn)行的實(shí)時(shí)進(jìn)程滿足硬實(shí)時(shí)性。并且RTLinux和Linux構(gòu)成一個(gè)完備的整體，能夠完成既包括實(shí)時(shí)部分又包括非實(shí)時(shí)部分的復(fù)雜任務(wù)。

1.1 硬實(shí)時(shí)性

RTLinux將Linux源碼中所有的cli、sti、iret指令分別用宏S_CLI、S_STI、S_IRET替換，引入虛擬層將截取所有的硬件中斷，分割Linux系統(tǒng)與硬件中斷之間的直接聯(lián)系。當(dāng)RTLinux虛擬層接收到與實(shí)時(shí)處理有關(guān)的硬件中斷時(shí)，立即啟動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序；而接收到與實(shí)時(shí)處理無(wú)關(guān)的中斷時(shí)，先保存相應(yīng)的信息，等到RTLinux內(nèi)核空閑時(shí)通過(guò)軟中斷傳遞給Linux內(nèi)核去處理，這樣就使得RTLinux內(nèi)核不受各種軟、硬件中斷的影響，不會(huì)造成時(shí)間上的不可預(yù)測(cè)性。同時(shí)又區(qū)別于其他實(shí)時(shí)處理方案，它并未對(duì)操作系統(tǒng)的內(nèi)核作結(jié)構(gòu)性的修改，因此并不會(huì)妨礙Linux操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和變化。

Linux采用基于最大吞吐量準(zhǔn)則的調(diào)度策略，并不能確保各個(gè)實(shí)時(shí)進(jìn)程的及時(shí)調(diào)度。而RTLinux在缺省情況下采用優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，即系統(tǒng)調(diào)度器根據(jù)各個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來(lái)確定執(zhí)行的先后次序。優(yōu)先級(jí)高的先執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)低的后執(zhí)行，這樣就保證了實(shí)時(shí)進(jìn)程的迅速調(diào)度。同時(shí)RTLinux也支持其它的調(diào)度策略，如最短時(shí)限最先調(diào)度（EDP）、確定周期調(diào)度（RM）（周期短的實(shí)時(shí)任務(wù)具有高的優(yōu)先級(jí)）。RTLinux將任務(wù)調(diào)度器本身設(shè)計(jì)成一個(gè)可裝載的內(nèi)核模塊，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，編寫(xiě)適合自己的調(diào)度算法。

操作系統(tǒng)精確的定時(shí)機(jī)制，可以提高任務(wù)調(diào)度器的效率，但增加CPU處理定時(shí)中斷的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。RTLinux采用一種折衷的方案，不將8354定時(shí)器設(shè)計(jì)成10毫秒產(chǎn)生一次定時(shí)中斷的固定模式，而是根據(jù)最近事件（進(jìn)程）的時(shí)間需要，不斷調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)間隔。這樣既可以提供高精度的時(shí)間值，又避免過(guò)多增加CPU處理定時(shí)中斷的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。RTLinux系統(tǒng)同時(shí)將各時(shí)間間隔相加，保持一個(gè)系統(tǒng)全局時(shí)間變量，并使用軟中斷的方式來(lái)模擬傳統(tǒng)的100Hz定時(shí)中斷，將其傳遞給Linux系統(tǒng)使用。

1.2 完備性

過(guò)去，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)僅是一組原始的、簡(jiǎn)單的可執(zhí)行程序，它所做的僅僅是向應(yīng)用程序提供一程序庫(kù)，但如今，實(shí)時(shí)應(yīng)用程序通常要求能夠支持TCP/IP、圖形顯示、文件和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及其它復(fù)雜的服務(wù)。為了滿足當(dāng)今實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的多種需求，通常采用在實(shí)時(shí)控制內(nèi)核上增加這些服務(wù)或完全修改標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)內(nèi)核的方法，而RTLinux所采用的是一種新型高效的方式。將一個(gè)簡(jiǎn)單的小型實(shí)時(shí)內(nèi)核與Linux內(nèi)核共存，用簡(jiǎn)單的小型實(shí)時(shí)內(nèi)核處理實(shí)時(shí)任務(wù)，將非實(shí)時(shí)任務(wù)交給Linux內(nèi)核去處理，而Linux內(nèi)核本身也作為一個(gè)RTLinux實(shí)時(shí)內(nèi)核在空閑時(shí)運(yùn)行的進(jìn)程。這種將實(shí)時(shí)系統(tǒng)和平均時(shí)間優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)協(xié)同工作的方式，使得許多實(shí)時(shí)應(yīng)用都顯示出一種增效。實(shí)時(shí)內(nèi)核中的實(shí)時(shí)任務(wù)可以直接訪問(wèn)硬件，不使用虛擬內(nèi)存，給實(shí)時(shí)進(jìn)程提供了很大的靈活性；運(yùn)行在Linux用戶空間中的非實(shí)時(shí)任務(wù)，可以方便地使用系統(tǒng)提供的各種資源（網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)等），并受到系統(tǒng)的保護(hù)，增加了系統(tǒng)的安全性。

2 RTLinux的主要功能

RTLinux提供了一整套對(duì)硬實(shí)時(shí)進(jìn)程的支持函數(shù)集。在此，僅對(duì)在嵌入式系統(tǒng)中最重要的三個(gè)方面：進(jìn)程間的通訊、中斷和硬件設(shè)備的訪問(wèn)以及線程間的同步加以闡述。

2.1 進(jìn)程間的通信（IPC）

RTLinux要求將應(yīng)用程序分成實(shí)時(shí)部分和非實(shí)時(shí)部分。應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)部分應(yīng)該是簡(jiǎn)單的和輕負(fù)荷的，在RTLinux的實(shí)時(shí)內(nèi)核中完成；而非實(shí)時(shí)部分，在Linux的用戶空間完成。因此RTLinux提過(guò)了多種內(nèi)核實(shí)時(shí)進(jìn)程和Linux用戶空間進(jìn)程間的通訊機(jī)制，最重要的是實(shí)時(shí)FIFO和共享內(nèi)存。

實(shí)時(shí)FIFO是能夠被內(nèi)核實(shí)時(shí)進(jìn)程和Linux用戶空間進(jìn)程訪問(wèn)的快進(jìn)快出隊(duì)列，是一種單向的通訊機(jī)制，可以通過(guò)兩路實(shí)時(shí)FIFO構(gòu)成雙向的數(shù)據(jù)交換方式。在使用實(shí)時(shí)FIFO前先要對(duì)實(shí)時(shí)FIFO通道初始化：

#includertl_fifo.h>

int rtf_create(unsigned int fifo,int size)

使用后應(yīng)該注銷(xiāo)實(shí)時(shí)FIFO通道：

int rtf_destroy(unsigned int fifo)

在初始化實(shí)時(shí)FIFO通道后，RTLinux內(nèi)核的實(shí)時(shí)進(jìn)程和Linux用戶空間的進(jìn)程都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的POSIX函數(shù)open、read、write和close等對(duì)實(shí)時(shí)FIFO通道進(jìn)行訪問(wèn)。內(nèi)核實(shí)時(shí)進(jìn)程還可以使用RTLinux的專有函數(shù)rtf_put和rtf_get對(duì)實(shí)時(shí)FIFO通道進(jìn)行讀寫(xiě)。

RTLinux共享內(nèi)存由mbuff.o模塊支持，可以使用下面的函數(shù)分配和釋放共享內(nèi)存塊：

#include mbuff.h>

void *mbuff_alloc(const char *name,int size)

void mbuff_free(const char *name,void *mbuf)

函數(shù)mbuff_alloc有兩個(gè)參數(shù)，共享內(nèi)存名name和共享內(nèi)存塊的大小size。如果指定的內(nèi)存共享名并不存在，分配成功時(shí)返回共享內(nèi)存指針，訪問(wèn)計(jì)數(shù)置為1，分配失敗時(shí)返回空指針；如果指定的內(nèi)存共享名已經(jīng)存在，返回該塊共享內(nèi)存的指針，并將訪問(wèn)計(jì)數(shù)值直接加1。函數(shù)mbuff_free將該塊共享內(nèi)存的訪問(wèn)計(jì)數(shù)值減1，當(dāng)計(jì)數(shù)值為0時(shí)，該共享內(nèi)存被釋放。在實(shí)時(shí)內(nèi)核模塊中使用該函數(shù)時(shí)，應(yīng)該將函數(shù)mbuff_alloc和mbuff_free分別放在init_module和cleanup_module模塊之中。

2.2 中斷和訪問(wèn)硬件

硬中斷（實(shí)時(shí)中斷）具有最低的延時(shí)，在系統(tǒng)內(nèi)核中只有少數(shù)的實(shí)時(shí)進(jìn)程使用。函數(shù)rtl_request_irq和rtl_free_irq用于安裝和卸載指定硬件中斷的中斷服務(wù)程序。

#includertl_core.h>

int rtl_request_irq(unsigned int irq,unsigned int (*handler)(unsigned int ,struct pt_regs *))

int rtl_free_irq(unsigned int irq)

中斷驅(qū)動(dòng)的線程可以使用喚醒和掛起函數(shù)：

int pthread_wakeup_np(pthread_t thread)

int pthread_suspend_np(void)

一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的線程可以調(diào)用函數(shù)pthread_suspend_np(pthread_self())阻塞自身線程的執(zhí)行，然后由中斷服務(wù)函數(shù)調(diào)用函數(shù)pthread_wakeup_np喚醒該線程的換行，直到此線程再次調(diào)用函數(shù)pthread_suspend_np(pthread_self（）)將自身掛起。

軟中斷是Linux內(nèi)核常常使用的中斷，它能夠更安全地調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)。無(wú)論如何，對(duì)于許多任務(wù)來(lái)說(shuō)并不能提供硬實(shí)時(shí)性能，將會(huì)導(dǎo)致一定的延時(shí)。

Int rtl_get_soft_irq(void (*handler)（int,void*,struetpt_regs ），const char* devname)分配一個(gè)虛中斷并安中斷；void rtl_free_soft_irq(unsigned int irq)釋放分配的虛中斷。

RTLinux與Linux一樣通過(guò)/dev/mem設(shè)備訪問(wèn)物理內(nèi)存，具體由模塊rtl_posixio.o提供此項(xiàng)功能。首先應(yīng)用程序應(yīng)該打開(kāi)/dev/mem設(shè)備，通過(guò)函數(shù)mmap對(duì)某段物理內(nèi)存進(jìn)行映射后，即可使用映射后的地址訪問(wèn)該段物理內(nèi)存。應(yīng)用程序只能在Linux進(jìn)程中（即在應(yīng)用程序的init_module()模塊中）調(diào)用mmap，在實(shí)時(shí)進(jìn)程中調(diào)用mmap將會(huì)失敗。另一種訪問(wèn)物理內(nèi)存的方法是通過(guò)Linux將會(huì)失敗。另一種訪問(wèn)物理內(nèi)存的方法是通過(guò)Linux的函數(shù)ioremap（2）。RTLinux訪問(wèn)I/O端口的函數(shù)如下（對(duì)于x86結(jié)構(gòu)）：

輸出一個(gè)字節(jié)到端口：

#include asm/io.h>

void outb(unsigned int value,unsigned short port)

void outb_p(unsigned int value,unsigned short port)

輸出一個(gè)字到端口：

#includeasm/io.h>

void outw(unsigned int value,unsigned short port)

void outw_p(unsigned int value,unsigned short port)

從端口讀一個(gè)字節(jié)：

#includeasm/io.h>

char inb(unsigned short port)

char inb_p(unsigned short port)

從端口讀一個(gè)字：

#includeasm/io.h>

short inw(unsigned short port)

short inw_p(unsigned short port)

其中帶后綴_p的函數(shù)使讀寫(xiě)端品時(shí)有一個(gè)小的延時(shí)，這在快速的計(jì)算機(jī)訪問(wèn)慢速的ISA設(shè)備時(shí)是必需的。

2.3 線程同步

當(dāng)多個(gè)實(shí)時(shí)線程需要訪問(wèn)共享資源時(shí)，如果沒(méi)有一種同步機(jī)制，將破壞共享資源中數(shù)據(jù)的完整性。RTLinux提供一種簡(jiǎn)單的加鎖方法mutex來(lái)控制對(duì)共享資源的存取，并支持POSIX的pthread_mutex_family函數(shù)組[3]。目前有以下函數(shù)可以使用：

pthread_mutexattr_getpshared //得到指定屬性線程共享屬性值；

pthread_mutexattr_setpshared //設(shè)置指定屬性線程共享屬性值；

pthread_mutexattr_init //初始化mutex的屬性；

pthread_mutexattr_destroy //刪除mutex的屬性；

pthread_mutexattr_settype //設(shè)置mutex信號(hào)的類型；

pthread_mutexattr_gettype //得到mutex信號(hào)的類型；

pthread_mutex_init //按指定的屬性初始化mutex；

pthread_mutex_destroy //刪除給定的mutex；

pthread_mutex_lock //鎖定mutex,如果mutex已被鎖定，阻塞當(dāng)前線程直到解鎖；

prhread_untex_trylock //鎖定mutex,如果mutex已被鎖定，函數(shù)立即返回；

pthread_untex_unlock //解鎖mutex；

互斥信號(hào)類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL（default POSIX mutexes）的PTHREAD_MUTEX_SPINLOCK（spinlocks）

3 RTLinux的編程實(shí)例分析

下面結(jié)合一個(gè)具體的程序parport.c[4]，對(duì)RTLinux的編程特點(diǎn)加以說(shuō)明。程序parport.c中的實(shí)時(shí)線程在并口的2、3腳（并口的數(shù)據(jù)D0和D1）上周期輸出信號(hào)1，而對(duì)應(yīng)硬件中斷7的實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序?qū)⒃诓⒖诘?、3腳輸出信號(hào)0。連接并口的2腳和10腳（并口的確認(rèn)信號(hào)線，對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)的中斷7），則可在并口的2、3腳上產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)。parport.c源程序如下：

#include rtl.h>

#include rtl_sync.h>

#include time.h>

#include ptrhrad.h>

#include asm/io.h>

#include linux/kd.h>

pthread_t thread;

unsigned int intr_handler(unsigned int irq,struct pt_regs *regs) { //中斷服務(wù)函數(shù)

outb(0,0x378); //輸出字節(jié)0到并口數(shù)據(jù)線

rtl_hard_enable_irq(7); //使能硬件中斷7

return 0；

}

void * start_routine (void *arg){ //實(shí)時(shí)線程

struct sched_param p; //定義實(shí)時(shí)線程控制參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

p.sched_priority = 1; //設(shè)置優(yōu)先級(jí)為1

pthread_setschedparam (pthread_self(),SCHED_FIFO,p); //設(shè)置實(shí)時(shí)線程的控制參數(shù)

pthread_make_periodic_np(pthread_self(),gethrtime(),100000);

//啟動(dòng)周期為10ns的實(shí)時(shí)線程

while (1){

pthread_wait_np()； //實(shí)時(shí)線程掛起

outb(3,0x378); //實(shí)時(shí)線程周期執(zhí)行，輸出3到并口數(shù)據(jù)線

}

return 0；

}

int init_module(void) {//初始化模塊

int status;

rtl_irqstate_t f; //保存當(dāng)前的中斷狀態(tài)標(biāo)志到變量f，并禁止中斷

status=rtl_request_irq(7,irtr_handler); //設(shè)置硬件中斷7的處理程序

rtl_printf(rtl_request_irq:%d,status); //輸出的控制臺(tái)

outb_p(inb_p(0x37A) |0x10,0x37A); //使能并口中斷（硬件上）

rtl_hard_enable_irq(7); //使能中斷7（軟件上）

rtl_restore_interrupts(f); //按照變量f恢復(fù)當(dāng)前的中斷狀態(tài)標(biāo)志，并使能中斷

return pthread_create (thread,NULL,start_routine，0)；

//創(chuàng)建實(shí)時(shí)進(jìn)程thread

}

void cleanup_module(void){ //清除模塊

rtl_free_irq(7); //禁止中斷7

pthread_delete_np(thread); //刪除實(shí)時(shí)進(jìn)程thread

}

程序parport.c的make文件如下：

all：parport.o

include rtl.mk

clean：

rm -f *.0

按照如下命令對(duì)程序進(jìn)行編譯：

make

運(yùn)行程序?qū)Σ捎靡韵旅睿?/p>

modprobe rtl_sched //調(diào)入所需的處理模塊

insmod parport.o //調(diào)入parport.o模塊

連接并口的2腳和10腳，即可通過(guò)示波器在并口的3腳上觀測(cè)到輸出的方波信號(hào)。

可以看到，RTLinux的實(shí)時(shí)程序被編寫(xiě)成可加載的Linux內(nèi)核模塊，它能被動(dòng)態(tài)地加入內(nèi)存，不能執(zhí)行Linux系統(tǒng)調(diào)用，模塊的初始化代碼對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的結(jié)構(gòu)作初始化，把實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)限、周期和釋放時(shí)間等實(shí)時(shí)參數(shù)傳遞給RTLinux。

通過(guò)對(duì)Linux最小的改動(dòng)，提供一種可靠且廉價(jià)的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTLinux。RTLinux開(kāi)發(fā)者可以充分利用Linux提供的各種方便來(lái)編寫(xiě)任務(wù)的非實(shí)時(shí)部分，加速自己的任務(wù)進(jìn)度。目前RTLinux的最新版本為3.1，支持Linux2.4內(nèi)核，程序源代碼可以通過(guò)網(wǎng)站http://www.rtlinux.org/免費(fèi)下載。