硬實時操作系統(tǒng)-RTLinux

摘要：介紹了RTLinux的兩個重點特點：硬實時性和完備性，及其在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的一些重要功能，并結(jié)合實時處理的具體實例對其編程方法加以說明。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng) 實時處理 Linux 嵌入式系統(tǒng)

近年來，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、源代碼的開放性以及系統(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的實時操作系統(tǒng)，是由FSMLabs公司（Finite State Machine Labs Inc.）推出的與Linux操作系統(tǒng)共存的硬實時操作系統(tǒng)。它能夠創(chuàng)建精確運行的符合POSIX.1b標準的實時進程；并且作為一種遵循GPL v2協(xié)議的開放軟件，可以達GPL v2協(xié)議許可范圍內(nèi)自由地、免費地使用、修改和再發(fā)生。本文介紹了RTLinux的特點及功能，并結(jié)合一個實時處理的具體實例對其編程方法加以說明。

1 RTLinux的特點

在Linux操作系統(tǒng)中，調(diào)度算法（其于最大吞吐量準則）、設(shè)備驅(qū)動、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，都會導(dǎo)致系統(tǒng)在時間上的不可預(yù)測性，決定了Linux操作系統(tǒng)不能處理硬實時任務(wù)。RTLinux為避免這些問題，在Linux內(nèi)核與硬件之間增加了一個虛擬層（通常稱作虛擬機），構(gòu)筑了一個小的、時間上可預(yù)測的、與Linux內(nèi)核分開的實時內(nèi)核，使得在其中運行的實時進程滿足硬實時性。并且RTLinux和Linux構(gòu)成一個完備的整體，能夠完成既包括實時部分又包括非實時部分的復(fù)雜任務(wù)。

1.1 硬實時性

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虛擬層接收到與實時處理有關(guān)的硬件中斷時，立即啟動執(zhí)行相應(yīng)的實時中斷服務(wù)程序；而接收到與實時處理無關(guān)的中斷時，先保存相應(yīng)的信息，等到RTLinux內(nèi)核空閑時通過軟中斷傳遞給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，不會造成時間上的不可預(yù)測性。同時又區(qū)別于其他實時處理方案，它并未對操作系統(tǒng)的內(nèi)核作結(jié)構(gòu)性的修改，因此并不會妨礙Linux操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展和變化。

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

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

1.2 完備性

過去，實時操作系統(tǒng)僅是一組原始的、簡單的可執(zhí)行程序，它所做的僅僅是向應(yīng)用程序提供一程序庫，但如今，實時應(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)庫系統(tǒng)及其它復(fù)雜的服務(wù)。為了滿足當(dāng)今實時應(yīng)用程序的多種需求，通常采用在實時控制內(nèi)核上增加這些服務(wù)或完全修改標準操作系統(tǒng)內(nèi)核的方法，而RTLinux所采用的是一種新型高效的方式。將一個簡單的小型實時內(nèi)核與Linux內(nèi)核共存，用簡單的小型實時內(nèi)核處理實時任務(wù)，將非實時任務(wù)交給Linux內(nèi)核去處理，而Linux內(nèi)核本身也作為一個RTLinux實時內(nèi)核在空閑時運行的進程。這種將實時系統(tǒng)和平均時間優(yōu)化的標準Linux操作系統(tǒng)協(xié)同工作的方式，使得許多實時應(yīng)用都顯示出一種增效。實時內(nèi)核中的實時任務(wù)可以直接訪問硬件，不使用虛擬內(nèi)存，給實時進程提供了很大的靈活性；運行在Linux用戶空間中的非實時任務(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，增加了系統(tǒng)的安全性。

2 RTLinux的主要功能

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

2.1 進程間的通信（IPC）

RTLinux要求將應(yīng)用程序分成實時部分和非實時部分。應(yīng)用程序的實時部分應(yīng)該是簡單的和輕負荷的，在RTLinux的實時內(nèi)核中完成；而非實時部分，在Linux的用戶空間完成。因此RTLinux提過了多種內(nèi)核實時進程和Linux用戶空間進程間的通訊機制，最重要的是實時FIFO和共享內(nèi)存。

實時FIFO是能夠被內(nèi)核實時進程和Linux用戶空間進程訪問的快進快出隊列，是一種單向的通訊機制，可以通過兩路實時FIFO構(gòu)成雙向的數(shù)據(jù)交換方式。在使用實時FIFO前先要對實時FIFO通道初始化：

#includertl_fifo.h>

int rtf_create(unsigned int fifo,int size)

使用后應(yīng)該注銷實時FIFO通道：

int rtf_destroy(unsigned int fifo)

在初始化實時FIFO通道后，RTLinux內(nèi)核的實時進程和Linux用戶空間的進程都可以使用標準的POSIX函數(shù)open、read、write和close等對實時FIFO通道進行訪問。內(nèi)核實時進程還可以使用RTLinux的專有函數(shù)rtf_put和rtf_get對實時FIFO通道進行讀寫。

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，分配成功時返回共享內(nèi)存指針，訪問計數(shù)置為1，分配失敗時返回空指針；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，并將訪問計數(shù)值直接加1。函數(shù)mbuff_free將該塊共享內(nèi)存的訪問計數(shù)值減1，當(dāng)計數(shù)值為0時，該共享內(nèi)存被釋放。在實時內(nèi)核模塊中使用該函數(shù)時，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 中斷和訪問硬件

硬中斷（實時中斷）具有最低的延時，在系統(tǒng)內(nèi)核中只有少數(shù)的實時進程使用。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)

一個中斷驅(qū)動的線程可以調(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)。無論如何，對于許多任務(wù)來說并不能提供硬實時性能，將會導(dǎo)致一定的延時。

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

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

輸出一個字節(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)

從端口讀一個字節(jié)：

#includeasm/io.h>

char inb(unsigned short port)

char inb_p(unsigned short port)

從端口讀一個字：

#includeasm/io.h>

short inw(unsigned short port)

short inw_p(unsigned short port)

其中帶后綴_p的函數(shù)使讀寫端品時有一個小的延時，這在快速的計算機訪問慢速的ISA設(shè)備時是必需的。

2.3 線程同步

當(dāng)多個實時線程需要訪問共享資源時，如果沒有一種同步機制，將破壞共享資源中數(shù)據(jù)的完整性。RTLinux提供一種簡單的加鎖方法mutex來控制對共享資源的存取，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信號的類型；

pthread_mutexattr_gettype //得到mutex信號的類型；

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；

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

3 RTLinux的編程實例分析

下面結(jié)合一個具體的程序parport.c[4]，對RTLinux的編程特點加以說明。程序parport.c中的實時線程在并口的2、3腳（并口的數(shù)據(jù)D0和D1）上周期輸出信號1，而對應(yīng)硬件中斷7的實時中斷服務(wù)程序?qū)⒃诓⒖诘?、3腳輸出信號0。連接并口的2腳和10腳（并口的確認信號線，對應(yīng)于計算機的中斷7），則可在并口的2、3腳上產(chǎn)生一個方波信號。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){ //實時線程

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

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

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

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

//啟動周期為10ns的實時線程

while (1){

pthread_wait_np()； //實時線程掛起

outb(3,0x378); //實時線程周期執(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

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)標志，并使能中斷

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

//創(chuàng)建實時進程thread

}

void cleanup_module(void){ //清除模塊

rtl_free_irq(7); //禁止中斷7

pthread_delete_np(thread); //刪除實時進程thread

}

程序parport.c的make文件如下：

all：parport.o

include rtl.mk

clean：

rm -f *.0

按照如下命令對程序進行編譯：

make

運行程序?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，即可通過示波器在并口的3腳上觀測到輸出的方波信號。

可以看到，RTLinux的實時程序被編寫成可加載的Linux內(nèi)核模塊，它能被動態(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實時任務(wù)的結(jié)構(gòu)作初始化，把實時任務(wù)時限、周期和釋放時間等實時參數(shù)傳遞給RTLinux。

通過對Linux最小的改動，提供一種可靠且廉價的硬實時操作系統(tǒng)RTLinux。RTLinux開發(fā)者可以充分利用Linux提供的各種方便來編寫任務(wù)的非實時部分，加速自己的任務(wù)進度。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網(wǎng)站http://www.rtlinux.org/免費下載。