RTLinux下的一種實時應(yīng)用通信機(jī)制
關(guān)鍵詞：RTLinux 通信接口 實時 共享內(nèi)存 RT_FIFO
實時性是多任務(wù)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(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度能力。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對時限要求的嚴(yán)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(kuò)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(yīng)用服務(wù)，提供了多種與Linux中非實時進(jìn)行通信的接口，主要有共享內(nèi)存、RT_FIFO和線程信號驅(qū)動機(jī)制，三者的應(yīng)用重點(diǎn)各不相同。其中前兩種較為常用[1]。由于不的實現(xiàn)機(jī)理，這兩種接口的應(yīng)用范疇各有側(cè)重。經(jīng)過實踐，筆者認(rèn)為將以上兩種接口有機(jī)地結(jié)合，利用共享內(nèi)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(nèi)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(yīng)用通信模式。
1 RTLinux的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序開發(fā)模式
作為Linux的硬實時擴(kuò)展，RTLinux一個重要的計準(zhǔn)則在于：盡可能多地利用Linux內(nèi)核所能提供的功能[2]。
顯示、記錄、設(shè)備初始化、阻塞式動態(tài)資源分配和模塊化內(nèi)核管理等無實時要求或者與硬實時性要求相悖的服務(wù)均由Linux提供。RTLinux內(nèi)核則主要為實時任務(wù)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(quán)。
基于以上準(zhǔn)則，RTLinux中的實時應(yīng)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(yùn)行環(huán)境和對實時要求的嚴(yán)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(jié)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(fù)責(zé)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集外設(shè)的中斷，結(jié)果數(shù)據(jù)的采集。兩者通過RT_FIFO或者共享內(nèi)存進(jìn)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(nèi)存兩種標(biāo)準(zhǔn)通信接口，用于實時任務(wù)和非實時任務(wù)之間的交互。
2.1 RT_FIFO
RT_FIFO（First-In-First-Out，先進(jìn)先出）是一種提案隊列機(jī)制組織的字符設(shè)備。在Linux文件系統(tǒng)中，主設(shè)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(shè)備文件/dev/rtf0..63。在系統(tǒng)資源允許的情況下，一個用戶進(jìn)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(jī)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(jī)制，利用同一FIFO進(jìn)行通信的兩進(jìn)程間無需自行增加同步控制。
*一種點(diǎn)對點(diǎn)的通信通道，不支持單生產(chǎn)者、多消費(fèi)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(shè)備文件，所以在非實時線程中訪問RT_FIFO時，使用標(biāo)準(zhǔn)的字符設(shè)備讀/寫函數(shù)即可（read、write、open、close，etc）。以上函數(shù)的調(diào)用方式均為阻塞式調(diào)用：當(dāng)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(jìn)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(nèi)核空間中，為編號fifo的RT_FIFO設(shè)備分配size字節(jié)的緩沖區(qū)。fifo對應(yīng)于所使用RT_FIFO的次設(shè)備號。
[釋放]
int rtf_destroy(unsigned int fifo)；
釋放內(nèi)核空間中次設(shè)備號為fifo的RT_FIFO設(shè)備緩沖區(qū)。
注意：以上兩個函數(shù)涉及到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)分配，必須分別在Linux的init_module（）和cleanup_module()中調(diào)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(jìn)行調(diào)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(diào)函數(shù)句柄，當(dāng)FIFO被Linux進(jìn)程讀/寫時，被調(diào)用。通常與rtl_get結(jié)合使用，用于異步的從Linux進(jìn)程中接收數(shù)據(jù)，從而避免采用輪詢的方式。
2.2 共享內(nèi)存
共享內(nèi)存是指被閑置出來專用于內(nèi)核空間和用戶空間進(jìn)行通信的內(nèi)存區(qū)域。相對于FIFO具有如下特點(diǎn)：
*應(yīng)用程序必須自己定義相應(yīng)的協(xié)議，對于寫入共享數(shù)據(jù)區(qū)域的有數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，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(diǎn)對點(diǎn)的通信通道，可以支持多生產(chǎn)者、多消費(fèi)者的使用模式，能夠同時被多個線程訪問。
在RTLinux下，共享內(nèi)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(nèi)存空間。
#include<mbuff.h>
[分配]
void * mbuff_alloc(const char * name,int size)；
從內(nèi)核空間中分配一塊與name相連，大小為size字節(jié)的內(nèi)存空間，返回地址指針，設(shè)備這塊空間的引用標(biāo)識為1。如與name相連的內(nèi)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(biāo)識加1。
[釋放]
void mbuff_free(const char * name,int size)；
將mbuff的引用標(biāo)識減1。當(dāng)引用標(biāo)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(nèi)核空間的需要，會交換出一系列的內(nèi)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(diào)用這個函數(shù)是十分危險的。
②在進(jìn)程結(jié)束前，一定要調(diào)用mbuff_free函數(shù)。Mbuff所占內(nèi)存空間不會因為其引用進(jìn)程的結(jié)束而自行釋放。
（2）高地址空間物理內(nèi)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(nèi)存，使其脫離系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，作為專用的共享內(nèi)存區(qū)域。
圖4 共享內(nèi)存互斥操作流程圖
在Linux啟動配置文件中，插入一行以append關(guān)鍵字起始的命令行，即可實現(xiàn)高端內(nèi)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(yīng)于被隔離空間的起始地址，可以由物理內(nèi)存總?cè)萘繙p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(nèi)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(nèi)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(yùn)行于內(nèi)核地址空間，可以直接將基址作為地址指針進(jìn)行存取，使用語句如下：
unsigned short * sharemem;
sharemem=(unsigned short *)__va(BASE_ADDRESS);
非實時模塊運(yùn)行于用戶地址空間，必須先將該物理地址映射入該進(jìn)程虛擬地址空間后，才能對其進(jìn)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(nèi)存必須打開與其對應(yīng)的設(shè)備文件/dev/mem。
注②：mmap命令的作用是將設(shè)備文件fd中，從當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址空間，其返回值可被非實時進(jìn)程存取。
以上兩種方式在實現(xiàn)機(jī)理上的不同之處在于，mbuff利用vmalloc從內(nèi)核地址空間分配的共享內(nèi)存空間僅僅在邏輯上連續(xù)，空間的大小不受實際物理內(nèi)存空間的限制；而直接隔離物理內(nèi)存所獲取的緩沖區(qū)物理上連續(xù)，但是大小受到物理內(nèi)存空間和當(dāng)前系統(tǒng)狀況的限制。共同之處在于，所獲得的內(nèi)存均被隔離于系統(tǒng)內(nèi)核的運(yùn)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(yīng)用之中。
3 兩種通信接口的結(jié)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(yīng)用，通常需要將兩者結(jié)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(jié)果數(shù)據(jù)和控制信息。
結(jié)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(nèi)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(nèi)存的內(nèi)步控制和RT_FIFO的使用
由于對共享內(nèi)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(yīng)用程序必須自行提供握手機(jī)制，來保證讀/寫進(jìn)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(nèi)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(fù)一個確認(rèn)消息，新的接收消息只有在收到確認(rèn)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(nèi)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(yùn)行效率。
具體實現(xiàn)，可以通過利用RT_FIFO實時傳輸當(dāng)前所寫入或被讀出的共享內(nèi)存塊序號，實現(xiàn)實時進(jìn)程和非實時進(jìn)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(nèi)存的訪問為異步進(jìn)行；同時，RTLinux中對RT_FIFO的進(jìn)行讀/寫的API函數(shù)，為阻塞式操作。當(dāng)FIFO0中目前沒有可讀數(shù)據(jù)時，對rtf_get函數(shù)的調(diào)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(jié)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(jìn)行讀/寫，而是改由BufNo隊列中獲取當(dāng)前有效的共享內(nèi)存序號。如果當(dāng)前無可用數(shù)據(jù)，則進(jìn)入周期等待狀態(tài)。
3.2 共享內(nèi)存訪問的互斥
對共享內(nèi)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(jìn)程和非實時進(jìn)程之中，實時進(jìn)程和非實時進(jìn)程運(yùn)行的環(huán)境區(qū)別很大。工作于RTLinux環(huán)境下的實時進(jìn)程具有最高的優(yōu)先級，不可能被非實時進(jìn)程中斷。所以，在實現(xiàn)互斥時，只須保護(hù)非實時進(jìn)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(nèi)存區(qū)域的第一個字節(jié)作為訪問標(biāo)識，實現(xiàn)非實時模塊對實時模塊的互斥。
非實時進(jìn)程開始訪問共享區(qū)域時，將此標(biāo)識置位；訪問結(jié)束時，復(fù)位。實時進(jìn)程在訪問共享區(qū)域前先檢測該標(biāo)識，如果標(biāo)識允許訪問，則執(zhí)行寫入操作；反之，掛起等待標(biāo)識位復(fù)位，按既定周期T輪詢。
實時進(jìn)程的既定周期T的設(shè)置十分重要，周期過長，會增加發(fā)生沖突后的等時間，導(dǎo)致共享內(nèi)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(fù)擔(dān)。筆者在已實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集程序中，對T的不同設(shè)置，所獲得的平均數(shù)據(jù)采集率進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。
注：以上實驗的測試平臺為PentiumIII 667,5400轉(zhuǎn)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(shè)至共享內(nèi)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(nèi)存訪問的互斥。由于互斥區(qū)的執(zhí)行體內(nèi)，每次只允許一個線程進(jìn)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(diào)用的函數(shù)。
4 結(jié)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(nèi)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(diǎn)，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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