關鍵詞：RTLinux 通信接口 實時 共享內存 RT_FIFO
實時性是多任務嵌入式系統(tǒng)的基本特征之一，主要表現(xiàn)為對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調度能力。根據(jù)應用系統(tǒng)對時限要求的嚴格程度又分為軟實時和硬實時。
RTLinux作為Linux最為通用的幾種硬實時擴展之一，表現(xiàn)了良好的硬實時性。同時，為了更有效地為各種實時應用服務，提供了多種與Linux中非實時進行通信的接口，主要有共享內存、RT_FIFO和線程信號驅動機制，三者的應用重點各不相同。其中前兩種較為常用[1]。由于不的實現(xiàn)機理，這兩種接口的應用范疇各有側重。經(jīng)過實踐，筆者認為將以上兩種接口有機地結合，利用共享內存?zhèn)魉痛笕萘?、對讀/寫時序要求不高的數(shù)據(jù)信息；同時，利用RT_FIFO輔助實現(xiàn)對該共享內存的同步控制，能夠綜合兩者的優(yōu)勢，是RTLinux下一種十分有效的實時應用通信模式。
1 RTLinux的結構和應用程序開發(fā)模式
作為Linux的硬實時擴展，RTLinux一個重要的計準則在于：盡可能多地利用Linux內核所能提供的功能[2]。
顯示、記錄、設備初始化、阻塞式動態(tài)資源分配和模塊化內核管理等無實時要求或者與硬實時性要求相悖的服務均由Linux提供。RTLinux內核則主要為實時任務提供對硬件的直接訪問，使得它們具有最小的延遲和最優(yōu)先的處理器利用權。
基于以上準則，RTLinux中的實時應用程序開發(fā)通常具有一個通用的模式，如圖1所示。按照運行環(huán)境和對實時要求的嚴格程度分為實時和非實時兩個模塊。非實時模塊的功能包括結果數(shù)據(jù)顯示。用戶交互、數(shù)據(jù)存儲等；實時模塊主要負責響應數(shù)據(jù)采集外設的中斷，結果數(shù)據(jù)的采集。兩者通過RT_FIFO或者共享內存進行通信，組成一個完整的實時數(shù)據(jù)采集程序。
2 RTLinux中的兩種通信接口
RTLinux提供了RT_FIFO和共享內存兩種標準通信接口，用于實時任務和非實時任務之間的交互。
2.1 RT_FIFO
RT_FIFO（First-In-First-Out，先進先出）是一種提案隊列機制組織的字符設備。在Linux文件系統(tǒng)中，主設備號為150。一個系統(tǒng)平臺中能夠同加載FIFO的模塊數(shù)RTF_NO定義在rt_fifo_new.c中，一般為64，在文件系統(tǒng)中分別對慶設備文件/dev/rtf0..63。在系統(tǒng)資源允許的情況下，一個用戶進程所能同時使用的FIFO數(shù)和每個FIFO的容量是沒限制的。
RT_FIFO具有如下特征：
*隊列中的數(shù)據(jù)傳送采用數(shù)據(jù)流形式，必須自行定義數(shù)據(jù)邊界監(jiān)測機制，尤其對于不定長度數(shù)據(jù)的傳輸。
*具備完善的同步阻塞機制，利用同一FIFO進行通信的兩進程間無需自行增加同步控制。
*一種點對點的通信通道，不支持單生產(chǎn)者、多消費者的使用模式。
作為一個完善的隊列模塊，RT_FIFO的使用簡便易行，具體實現(xiàn)主要包括創(chuàng)建、讀/寫操作、釋放三個步驟。在Linux文件系統(tǒng)中，RT_FIFO是一個字符設備文件，所以在非實時線程中訪問RT_FIFO時，使用標準的字符設備讀/寫函數(shù)即可（read、write、open、close，etc）。以上函數(shù)的調用方式均為阻塞式調用：當FIFO中有數(shù)據(jù)可讀時，立即返回；否則，會陷入無限等待之中。
從RT進程中訪問RT_FIFO，所涉及到的RTLAPI如下：
#include<rtl_fifo.h>
[創(chuàng)建]
int rtf_create(unsigned int fifo,int size);
內核空間中，為編號fifo的RT_FIFO設備分配size字節(jié)的緩沖區(qū)。fifo對應于所使用RT_FIFO的次設備號。
[釋放]
int rtf_destroy(unsigned int fifo)；
釋放內核空間中次設備號為fifo的RT_FIFO設備緩沖區(qū)。
注意：以上兩個函數(shù)涉及到內核空間的緩沖區(qū)分配，必須分別在Linux的init_module（）和cleanup_module()中調用，或者在用戶空間通過PSC（the user-level real-time signal library,用戶級實時庫函數(shù)）進行調用。
[讀/寫操作]
int rtl_get(unsigned int fifo,char *buf,int count)；
從FIFO中讀出長度為count字節(jié)的數(shù)據(jù)，存放buf之中。
Int rtf_put（unsigned int fifo,char * buf,int count）；
將長度為count字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入FIFO中。
Int rtf_create_handle(unsigned int fifo,int(&handler)(unsigned int fifo))；
創(chuàng)建一個回調函數(shù)句柄，當FIFO被Linux進程讀/寫時，被調用。通常與rtl_get結合使用，用于異步的從Linux進程中接收數(shù)據(jù)，從而避免采用輪詢的方式。
2.2 共享內存
共享內存是指被閑置出來專用于內核空間和用戶空間進行通信的內存區(qū)域。相對于FIFO具有如下特點：
*應用程序必須自己定義相應的協(xié)議，對于寫入共享數(shù)據(jù)區(qū)域的有數(shù)據(jù)進行保護，如同步控制等。
*數(shù)據(jù)可以既定格式讀/寫，各個數(shù)據(jù)域的更新十分便易。
*不是點對點的通信通道，可以支持多生產(chǎn)者、多消費者的使用模式，能夠同時被多個線程訪問。
在RTLinux下，共享內存的使用可采用以下兩種方式：
（1）利用RTLinux中附帶的mbuff模塊
在使用mbuff之前，要求系統(tǒng)中已經(jīng)加載了mbuff.o模塊。該模塊中的兩個函數(shù)被分別用于分配和釋放所需的內存空間。
#include<mbuff.h>
[分配]
void * mbuff_alloc(const char * name,int size)；
從內核空間中分配一塊與name相連，大小為size字節(jié)的內存空間，返回地址指針，設備這塊空間的引用標識為1。如與name相連的內存空間已經(jīng)存在，就僅僅返回指向該空間的地址指針，同時將其引用標識加1。
[釋放]
void mbuff_free(const char * name,int size)；
將mbuff的引用標識減1。當引用標識被減為0時，釋放mbuff。
注意：①mbuff_alloc使用了vmalloc函數(shù)，由于分配內核空間的需要，會交換出一系列的內核空間頁面，所以在實時線程、中斷處理線程、定時器中斷線程中調用這個函數(shù)是十分危險的。
②在進程結束前，一定要調用mbuff_free函數(shù)。Mbuff所占內存空間不會因為其引用進程的結束而自行釋放。
（2）高地址空間物理內存的直接隔離
在系統(tǒng)啟動時，隔離出一定大小的高地址空間物理內存，使其脫離系統(tǒng)運行環(huán)境，作為專用的共享內存區(qū)域。
圖4 共享內存互斥操作流程圖
在Linux啟動配置文件中，插入一行以append關鍵字起始的命令行，即可實現(xiàn)高端內存空間的隔離。修改后的/etc/lilo.conf文件如下所示：
image=/boot/zImage
label=rtlinuxX.X
root=/dev/hda2
read_only
append=“mem=Xm”
其中，mem的值對應于被隔離空間的起始地址，可以由物理內存總容量減去所需共享空間容量得到。但是必須注意，被隔離出的共享空間的容量必須小于/usr/include/asm/param.h文件中定義的頁面長度。Intel Pentium系列芯片的頁面長度為4MB。
對共享內存空間的存取操作通過訪問其基址來實現(xiàn)。必須首先定義共享內存空間的基址。
#define BASE_ADDRESS(127×0x100000)
在實時和非實時模塊中有不同的基址訪問方法。寫時模塊運行于內核地址空間，可以直接將基址作為地址指針進行存取，使用語句如下：
unsigned short * sharemem;
sharemem=(unsigned short *)__va(BASE_ADDRESS);
非實時模塊運行于用戶地址空間，必須先將該物理地址映射入該進程虛擬地址空間后，才能對其進行存取。使用命令如下：
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
int fd；
unsigned short * sharemem；
fd=open("/dev/mem",O_RDWR); ①
sharemem=(unsigned short *)mmap(0,buflen,
PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_FILE|MAP_SHARED,
Fd,BASE_ADDRESS); ②
注①：訪問物理內存必須打開與其對應的設備文件/dev/mem。
注②：mmap命令的作用是將設備文件fd中，從當前進程的虛擬地址空間，其返回值可被非實時進程存取。
以上兩種方式在實現(xiàn)機理上的不同之處在于，mbuff利用vmalloc從內核地址空間分配的共享內存空間僅僅在邏輯上連續(xù)，空間的大小不受實際物理內存空間的限制；而直接隔離物理內存所獲取的緩沖區(qū)物理上連續(xù)，但是大小受到物理內存空間和當前系統(tǒng)狀況的限制。共同之處在于，所獲得的內存均被隔離于系統(tǒng)內核的運行環(huán)境之外，不會在頁面交換中被換出，所以以上兩種方法均適用于實時應用之中。
3 兩種通信接口的結合
以上兩種通信接口具有不同的適用范疇，為了實現(xiàn)一個完整的實時應用，通常需要將兩者結合，以一個實時數(shù)據(jù)采集程序為例，實時模塊和非實時模塊之間通常需要傳送兩種類型的數(shù)據(jù)；結果數(shù)據(jù)和控制信息。
結果數(shù)據(jù)：由實時模塊周期性產(chǎn)生。非實時模塊用于顯示和存儲，對讀/寫的時序性要求不高，但是通常需要由多個用戶共享，因此，利用共享內存模塊傳輸比較適合。
控制信息：主要用于實現(xiàn)非實時模塊和實時模塊之間的交互控制，數(shù)據(jù)量小，但是比較注重信號讀/寫的時序性和通信過程中實時性，采用RT_FIFO實現(xiàn)比較適合。
圖2為通用的抽象數(shù)據(jù)流圖。
3.1 共享內存的內步控制和RT_FIFO的使用
由于對共享內存的存取通過直接訪問指針來實現(xiàn)，操作系統(tǒng)不會為其提供任何同步控制，應用程序必須自行提供握手機制，來保證讀/寫進程之間同步。
實現(xiàn)同步的一種方式是接收方和發(fā)送方利用消息通信來實現(xiàn)握手。接收方對共享內存以輪詢的方式監(jiān)測新數(shù)據(jù)的到來，然后發(fā)送接收信息。為了實現(xiàn)握手，發(fā)送方對于每條接收消息都必須回復一個確認消息，新的接收消息只有在收到確認消息以后才能發(fā)出。
這種方式在實時模塊和非實時模塊中均須要采用輪詢的方式監(jiān)測新數(shù)據(jù)和消息的到來，因此會占用較多的處理器資源。所以，可以考慮利用RT_FIFO實現(xiàn)實時模塊和非實時模塊之間對共享內存的存取同步。利用RT_FIFO所提供的句柄功能能夠避免實時模塊對接收消息的輪詢監(jiān)測，在一定程度上提高程序運行效率。
具體實現(xiàn)，可以通過利用RT_FIFO實時傳輸當前所寫入或被讀出的共享內存塊序號，實現(xiàn)實時進程和非實時進程之間的步。因為RT_FIFO是一種單向傳輸隊列，為了實現(xiàn)交互，需要兩個傳輸方向相反的RT_FIFO，連接于兩個模塊之間，如圖3所示。
圖3中，BufNo為筆者自行定義的隊列。它的使用主要是為了避免由于RT_FIFO引起的實時部分和非實時部分之間的死鎖。
實時部分和非實時部分的各線程路之間對共享內存的訪問為異步進行；同時，RTLinux中對RT_FIFO的進行讀/寫的API函數(shù)，為阻塞式操作。當FIFO0中目前沒有可讀數(shù)據(jù)時，對rtf_get函數(shù)的調用會使程序陷入無限等待之中，很容易造成實時模塊和非實時模塊之間的死鎖。
為了避免這種情況，可以將BufNo作為緩沖區(qū)與FIFO0的句柄結合使用，臨時存放FIFO0中被非實時線程寫入的塊序號。實時模塊不再對FIFO0進行讀/寫，而是改由BufNo隊列中獲取當前有效的共享內存序號。如果當前無可用數(shù)據(jù)，則進入周期等待狀態(tài)。
3.2 共享內存訪問的互斥
對共享內存訪問的互斥操作，包括兩個方面：實時模塊與非實時模塊之間的互斥、非實時模塊中各采集線程之間的互斥。
（1）實時模塊與非實時模塊之間的互斥
多線程之間對共享資源訪問的互斥，是操作系統(tǒng)中一個重要的研究分支。但是在實時模塊和非實時模塊之間，問題變得相對簡單。因為，在實時進程和非實時進程之中，實時進程和非實時進程運行的環(huán)境區(qū)別很大。工作于RTLinux環(huán)境下的實時進程具有最高的優(yōu)先級，不可能被非實時進程中斷。所以，在實現(xiàn)互斥時，只須保護非實時進程對共享資源的訪問即可。
抽象流程如圖4所示。利用共享內存區(qū)域的第一個字節(jié)作為訪問標識，實現(xiàn)非實時模塊對實時模塊的互斥。
非實時進程開始訪問共享區(qū)域時，將此標識置位；訪問結束時，復位。實時進程在訪問共享區(qū)域前先檢測該標識，如果標識允許訪問，則執(zhí)行寫入操作；反之，掛起等待標識位復位，按既定周期T輪詢。
實時進程的既定周期T的設置十分重要，周期過長，會增加發(fā)生沖突后的等時間，導致共享內存狀態(tài)改變時，無法被及時寫入；周期過短，增加了系統(tǒng)的輪詢次數(shù)，加重實時系統(tǒng)的負擔。筆者在已實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集程序中，對T的不同設置，所獲得的平均數(shù)據(jù)采集率進行了統(tǒng)計，結果如圖5所示。
注：以上實驗的測試平臺為PentiumIII 667,5400轉普通硬盤，RTLinux3.1、Linux kernel 2.4.4，數(shù)據(jù)流向為數(shù)據(jù)采集外設至共享內存然后存放硬盤，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生頻率為10ms。
（2）非實時模塊之間的互斥
非實時模塊中異步執(zhí)行的各采集線程之間，可以利用互斥變量的加鎖和解鎖實現(xiàn)對共享內存訪問的互斥。由于互斥區(qū)的執(zhí)行體內，每次只允許一個線程進入，為了保證程序的執(zhí)行效率，在互斥區(qū)中不宜使用耗時較長或阻塞式調用的函數(shù)。
4 結論
在RTLinux提供的實時模塊和非實時模塊之間的通信接口中，RT_FIFO和共享內存較為常用，分別適用于不同的數(shù)據(jù)類型通信。本文提出的這種方法，能充分利用兩者的優(yōu)點，方便地實現(xiàn)實時與非實時之間海量數(shù)據(jù)通信。目前已在rtLinux3.1、Linux kernel 2.4.4系統(tǒng)平臺上成功實現(xiàn)，并取得了令人滿意的效果。
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