利用RTLinux開發(fā)嵌入式應用程序

對于中國工程師來說，利用實時Linux開發(fā)嵌入式應用程序是他們面臨的困難之一，本文以RTLinux為例，并結(jié)合最為業(yè)界關注的是RTAI進行討論，盡管這兩種實現(xiàn)方式在句法細節(jié)上存在差異，但工作方式基本一樣，因此所講述的內(nèi)容對兩者都適用。  

在實時任務與用戶進程相互通信的過程中，有些實時應用程序無需任何用戶界面即可在后臺平靜地運行，然而，越來越多的實時應用程序確實需要一個用戶界面及其它系統(tǒng)功能，如文件操作或聯(lián)網(wǎng)等，所有這些功能都必須在用戶空間內(nèi)運行。問題是，用戶空間操作是非確定性的，而且與實時操作不兼容。  

幸運的是實時Linux具有一種可在時間上減弱實時與非實時操作的機制，這種機制表現(xiàn)為一種稱為實時FIFO的驅(qū)動程序。當insmod將rtl_fifo.o驅(qū)動程序插入Linux內(nèi)核時，該驅(qū)動程序?qū)⒆约鹤詾镽TLinux的一部分，并成為Linux驅(qū)動程序。一旦插入Linux內(nèi)核，用戶空間進程和實時任務都可使用實時Linux FIFO。  

在深入探討實時FIFO的細節(jié)之前，還要回顧一下實時應用程序結(jié)構(gòu)的某些部分。有效的嵌入式應用程序設計方法是將實時部分與固有的非實時功能分離開來。如果應用程序的任一部分，如用戶界面、圖形、數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡僅需軟實時性能，最好是將該部分寫入用戶空間。然后，僅將必須滿足時序要求的那部分寫成實時任務。  

注意：RTLinux(PSC，便攜式信號編碼)和RTAI(LXRT，Linux實時擴展)的最新版本已采用了一種可在用戶空間執(zhí)行軟和硬實時任務的方法。  

任何硬實時任務都是在RTLinux的控制下運行的，該任務一般可執(zhí)行周期性任務、處理中斷并與I/O設備驅(qū)動程序通信，以采集或輸出模擬和數(shù)字信息。當實時任務需要告訴用戶進程有一個事件將發(fā)生時，它便將這一消息送給實時FIFO。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數(shù)據(jù)：從實時任務到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個FIFO。任何讀出或?qū)懭雽崟r任務一側(cè)的操作都是非模塊操作，因此rtf_put()和rtf_get()都立即返回，而不管FIFO狀態(tài)是什么。  

從應用程序一側(cè)來看，F(xiàn)IFO就像一個常規(guī)文件。缺省情況下，RTLinux安裝程序?qū)⒃?dev目錄下創(chuàng)建64個實時FIFO節(jié)點；如果需要，還必須自己創(chuàng)建新的節(jié)點。例如，要創(chuàng)建/dev/rtf80，需采用如下命令：  

mknod c 150 80；  
chmod 0666 /dev/rtf80  


其中，150是實時FIFO主數(shù)，而80是rtf80的次數(shù)。  

從用戶進程的角度看，實時FIFO可執(zhí)行標準文件操作。從實時任務來看，F(xiàn)IFO有兩種通信方式：直接調(diào)用RTLinux FIFO功能，或?qū)IFO作為一個RTLinux設備驅(qū)動程序，并使用open()、close()、read()和write()操作。要想將FIFO作為一個設備驅(qū)動程序，就必須將rtl_conf.h中的配置變量CONFIG_RTL_POSIX_IO設定為1。  

rtf_create_handler()可設置處理程序功能。每次Linux進程讀或?qū)慒IFO時，rtl_fifo驅(qū)動程序都要調(diào)用該處理程序。應注意的是，該處理程序駐留在Linux內(nèi)核，因此當Linux需要調(diào)用時，從該處理程序進行任何內(nèi)核調(diào)用都是安全的。從該處理程序到實時任務間的最好通信方法是使用旗語或線程同步功能。最后，F(xiàn)IFO驅(qū)動程序還必須對內(nèi)核存儲器進行配置。因此，實時線程內(nèi)的rtf_create()不應調(diào)用。相反，可調(diào)用init_module()中的rtf_create()功能及cleanup_module()中的rtf_destroy()功能。  

例如兩個FIFO都是在init_module()創(chuàng)建，并賦予minor numbers 為1和2。在調(diào)用rtf_create(minor, size)之前，該程序在已創(chuàng)建該FIFO的情況下調(diào)用rtf_destroy(minor)。這種情況就是另一個模塊在開發(fā)過程中未被調(diào)用。然后，調(diào)用rtf_create_handler(ID, &pd_do_aout)以注冊帶該實時FIFO的數(shù)據(jù)采集模擬輸出功能pd_do_aout()。注意，創(chuàng)建實時線程pp_thread_ep()是因為它是周期性的，其間隔為1/100秒。  

每次周期性線程得到系統(tǒng)控制權后，它就調(diào)用rtf_put(ID,dataptr,size)以便將數(shù)據(jù)插入minor number為2的FIFO。Linux進程打開/dev/rtf2，從實時FIFO中讀取并顯示所采集的數(shù)據(jù)。該進程還打開/dev/rtf1，將數(shù)據(jù)寫入其它實時FIFO。當用戶移動屏幕滑動器以改變模擬輸出電壓時，進程就向該FIFO寫入一個新的值。RTLinux便調(diào)用pd_do_aout()處理程序，隨后pd_do_aout()利用rtf_get()從FIFO獲得值，并調(diào)用實際的硬件驅(qū)動程序以設置模擬輸出的電壓?？梢钥吹剑瑢崟r任務和用戶進程是異步使用FIFO的。  

任務間的存儲器共享  

FIFO為用戶進程和實時任務的連接提供了一種方便的機制，但將它們作為消息隊列更合適。比如，一個實時線程可利用FIFO記錄測試結(jié)果，然后用戶進程就可讀取該結(jié)果，并將之存入數(shù)據(jù)庫文件。  

許多數(shù)據(jù)采集應用程序涉及到內(nèi)核及用戶空間之間的大量數(shù)據(jù)。Linux內(nèi)核v. 2.2.x并沒有為這些空間的數(shù)據(jù)共享提供任何機制，但v. 2.4.0版本預計會包括kiobuf結(jié)構(gòu)。為解決現(xiàn)有穩(wěn)定內(nèi)核的這個缺點，RTLinux包括mbuff驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序可利用vmalloc()分配虛擬內(nèi)核存儲器的已命名存儲器區(qū)域，它采用的存儲器分配和頁面鎖定技巧跟大多數(shù)Linux中bttv幀抓取器(frame-grabber)驅(qū)動程序所用的一樣。  

更具體地說，mbuff一頁一頁地將虛擬內(nèi)存鎖定到實際的物理內(nèi)存頁面。任何實時或內(nèi)核任務，或用戶進程在任何時間都可訪問該存儲器。通過將虛擬內(nèi)存頁面鎖定到物理內(nèi)存頁面，mbuff可確保所分配的頁面永久駐留在物理內(nèi)存，而且不會發(fā)生頁面錯誤。換言之，當實時或內(nèi)核進程訪問所分配的存儲器時，它可確保VMM不被調(diào)用。注意：由于實時任務執(zhí)行期間實時Linux凍結(jié)標準內(nèi)核的執(zhí)行，任何對VMM的調(diào)用都會引起系統(tǒng)暫停。如果它要訪問并不位于物理RAM內(nèi)的虛擬存儲頁面，那么即使正常的Linux內(nèi)核驅(qū)動程序也會引起系統(tǒng)故障。  

由于mbuff是一種Linux驅(qū)動程序，其功能可通過設備節(jié)點/dev/mbuff實現(xiàn)。該節(jié)點可顯示幾個錄入點，其中包括可將內(nèi)核空間地址映射到用戶空間的mmap()。它還可以利用錄入點ioctl()來控制。然而，并不需要復雜的結(jié)構(gòu)及直接調(diào)用ioctl。相反，mbuff可為ioctl()調(diào)用提供一個包裹，而且僅僅調(diào)用兩個簡單的功能即可配置和釋放共享的存儲緩沖器。  

當然，不能從實時任務調(diào)用mbuff驅(qū)動程序，因為該驅(qū)動程序所調(diào)用的虛擬存儲器分配功能本身是不確定性操作。分配共享存儲器所需的時間依賴于主系統(tǒng)的存儲器容量以及CPU速度、磁盤驅(qū)動器性能和存儲器分配的現(xiàn)有狀態(tài)。因此，只能從模塊的Linux內(nèi)核一側(cè)來分配共享存儲器，比如從init_module()或一個ioctl()請求開始。  

那么，一個共享緩沖器到底能分配多少存儲器呢？如果不是任務繁重的服務器或圖形應用，建議至少為Linux保留8MB存儲空間。為了獲得優(yōu)化的配置，可在限制存儲器大小的同時測量實時應用程序的性能，以確定需要多少存儲空間。  

內(nèi)核模塊和用戶任務采用同樣的功能集。當然，要想使用insmod mbuff.o，還必須將之置于Linux內(nèi)核中。例如，mbuff_alloc("buf_name", size)可將符號名buf_name分配給一個緩沖器，而mbuff_free("buf_name", mbuf)可將之釋放。  

當?shù)谝淮握{(diào)用帶有符號緩沖器名的mbuff_alloc()時，mbuff執(zhí)行實際的存儲器分配。而當從內(nèi)核模塊或用戶進程再次調(diào)用該功能時，它只是簡單地增加使用數(shù)(usage count)及將指針返回現(xiàn)有的緩沖器。每次調(diào)用mbuff_free()都會減少使用數(shù)，直至為零，這時mbuff就去分配帶符號名的緩沖器。這種方法從多個內(nèi)核模塊和用戶進程獲得一個指向同一共享緩沖器的指針，從而解決了問題。它還可確保共享緩沖器一直有效，直到最后的應用程序釋放它。請注意，是實時內(nèi)核還是用戶進程執(zhí)行實際的buf1配置依賴于誰先獲得控制權。  

還有一個“笨”方法可在實時應用程序、內(nèi)核模塊和用戶應用程序間共享存儲器。對于嵌入式應用，該方法還是可以接受的。例如，如果PC帶有128MB RAM，可將線搜索路徑="mem=120m"添加進lilo.conf文件。當啟動帶有Linux內(nèi)核和RTLinux 2.3的系統(tǒng)時，Linux僅使用120MB內(nèi)存。OS也不用剩下的8MB內(nèi)存(物理地址為0x7F00000到0x7FFFFFF)，而是留給在OS下運行的各種任務共享。要想從用戶進程獲取存儲器地址并訪問預留的存儲器，必須用O_RDWR訪問模式來打開/dev/mem驅(qū)動程序，然后利用mmap()保留存儲器。而從實時模塊或內(nèi)核驅(qū)動程序一側(cè)進行，則必須使用ioremap(0x7F00000, 0x100000)才能獲取這8MB (0x100000字節(jié))預留內(nèi)存。  

這種方法有利有弊。既不能通過預留內(nèi)存的所有權，也不能通過讀或?qū)憗慝@取控制權。正確地配置和釋放大量內(nèi)存的機制尚未問世。另外，無論實時進程是否需要，該內(nèi)存都不能為Linux所用。  

也許存儲器共享笨方法的唯一適用場合是專為特定應用而定制的小型嵌入式系統(tǒng)，因為此時可為小型化而放棄使用mbuff驅(qū)動程序。  

中斷  

RTLinux有兩種中斷：硬中斷和軟中斷。軟中斷就是常規(guī)Linux內(nèi)核中斷，它的優(yōu)點在于可無限制地使用Linux內(nèi)核調(diào)用。這類中斷作為硬中斷處理的第二部分還是相當有用的。  

硬(實時)中斷是安裝實時Linux的前提。要安裝中斷處理程序，先調(diào)用rtl_request_irq(...)，然后調(diào)用rtl_free_irq()釋放它。依賴于不同的系統(tǒng)，實時Linux下硬(或?qū)崟r)中斷的延遲是15μs的數(shù)量級。較快的處理器具有較好的延遲。如果想在實時處理程序和常規(guī)Linux驅(qū)動程序中處理同一設備IRQ，必須為每一個硬中斷單獨設置IRQ。  

RTLinux在執(zhí)行實時中斷處理程序時將禁止IRQ。應注意，該代碼須在退出實時中斷處理程序前調(diào)用rtl_hard_enable_irq()才能重新使能中斷。  

有兩個問題影響直接從實時中斷處理程序調(diào)用Linux內(nèi)核功能：內(nèi)核禁止所有中斷及不定義執(zhí)行內(nèi)容。還應注意的是，這里也不能執(zhí)行浮點操作。利用實時中斷處理程序來控制線程執(zhí)行是避免出現(xiàn)這些問題的好辦法。本例采用pthread_wakeup_np()功能來喚醒一個實時線程。中斷處理程序可處理即時的工作，余下的由該線程解決。  

SMP結(jié)構(gòu)的優(yōu)點  

實時Linux都支持多處理器架構(gòu)。對稱多處理器(SMP)結(jié)構(gòu)采用了高級可編程中斷控制器(APIC)，奔騰級處理器都有片上本地APIC，可為本地處理器傳送中斷。SMP(甚至單處理器母板)都有I/O APIC，可收集來自外設的中斷請求，并將它們傳送給本地APIC。舊的8259 PIC速度很慢，所處理的中斷向量數(shù)不充分，迫使設備共享中斷，使得中斷處理更慢。但是，APIC可解決這些問題。通過為每個設備請求設置一個特定的IRQ，系統(tǒng)可減少中斷延遲，APIC還可加速同步代碼。  

實時Linux可充分利用APIC。在SMP系統(tǒng)中，實時調(diào)度程序利用APIC，而不是采用過時的8254芯片來完成時序分配。由于PC的兼容性，8254位于每一個ISA總線上，而且每一個再編程設備的調(diào)用都要占用處理器周期。一個千兆赫CPU要浪費數(shù)百個處理器周期來等待8MHz定時器(大約2.5μs)。APIC工作在總線頻率，而且可立即執(zhí)行所有的定時器操作，這意味著必須利用本地APIC時鐘在AMP機器上獲取更高的周期性頻率(雙P-III-500 CPU可在100kHz運行周期性實時線程，而無明顯的性能損失)。  

實時Linux能很好地執(zhí)行多處理任務，它為每個CPU實施單獨的進程。調(diào)用pthread_create()可創(chuàng)建一個在現(xiàn)有CPU上運行的線程。還可用pthread_attr_setcpu_np()將該線程分配給一個特定的CPU，以改變線程屬性。在調(diào)用這一功能之前，必須首先初始化線程屬性。  

RTLinux v. 3包括reserve_cpu功能，可預留SMP平臺上的一個CPU，專供RTLinux使用。它可運行于2.4x內(nèi)核，RTAI也具有幾乎同樣的功能。  

如果想將任務分給某一特定的CPU，請留意“pset”方案(http://isunix.it.ilstu.edu/thockin/pset/)。利用該內(nèi)核可將一個SMP處理器專門分配給一個用戶應用程序，甚至可從Linux處理器組中調(diào)用一個處理器專用于實時任務。  

同步基元  

早期的實時Linux沒有同步基元?，F(xiàn)在，POSIX型的旗語、互斥和信號在最新的實時Linux版本中都已出現(xiàn)。雖然在實時設計中采用這些同步基元還存在問題，但同步或用信號表示實時任務和用戶應用程序很有意義，然而，這要求軟件開發(fā)者具有高超的技能，這一問題已超出本文的討論范圍。  

快速學習pthread_mutex_init()、pthread_mutex_lock()、pthread_mutex_trylock()、pthread_mutex_unlock()和pthread_mutex_destroy()等同步功能的最好方法是查看./examples/mutex/mutex.c。特別要提醒的是./examples/mutex/sema_test.c文件是學習旗語的很好起點。  

實時Linux發(fā)展方向  

實時Linux與Linux一樣仍然處于不斷發(fā)展之中。每一個新的版本都添加了更多的特性和功能。實時Linux正朝著更好的POSIX 1003.x實現(xiàn)方向發(fā)展，最新的特性包括用戶空間進程的實時支持、互斥、信號、旗語、實時存儲器管理和擴展的SMP支持等。如果還未確定下一個項目采用哪個實時系統(tǒng)，可下載一種實時Linux版本了解一下。其實，Linux已經(jīng)是一種成熟的OS，而且具備實時擴展版本，它是嵌入式應用的最佳選擇之一。