利用RTLinux開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序的方案

利用RTLinux開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序

對(duì)于中國(guó)工程師來(lái)說(shuō)，利用實(shí)時(shí)Linux開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序是他們面臨的困難之一，本人通過(guò)這次機(jī)會(huì)以RTLinux為例，并結(jié)合最為業(yè)界關(guān)注的是RTAI與各位進(jìn)行討論，盡管這兩種實(shí)現(xiàn)方式在句法細(xì)節(jié)上存在差異，但是工作方式基本一樣，所以講述的內(nèi)容對(duì)兩者都適用。

在實(shí)時(shí)任務(wù)與用戶進(jìn)程通信的過(guò)程中，有些實(shí)時(shí)應(yīng)用程序無(wú)需任何用戶界面即可在后臺(tái)平靜地運(yùn)行，但是，越來(lái)越多的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序確實(shí)需要一個(gè)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(yùn)行?？墒?，用戶空間操作是非確定性的，并且與實(shí)時(shí)操作不兼容。

還好實(shí)時(shí)Linux具有一種可在時(shí)間上減弱實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)操作的機(jī)制，這種機(jī)制表現(xiàn)為一種稱為實(shí)時(shí)FIFO的驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)iNSmod將rtl_fifo.o驅(qū)動(dòng)程序插入Linux內(nèi)核時(shí)，該驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆约鹤?cè)為RTLinux的一部分，并成為L(zhǎng)inux驅(qū)動(dòng)程序。一旦插入Linux內(nèi)核，用戶空間進(jìn)程和實(shí)時(shí)任務(wù)都可使用實(shí)時(shí)Linux FIFO。

在進(jìn)一步探討實(shí)時(shí)FIFO的細(xì)節(jié)之前，還要回顧一下實(shí)時(shí)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的某些部分（圖1）。有效的嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法是將實(shí)時(shí)部分與固有的非實(shí)時(shí)功能分離開(kāi)來(lái)（表1）。假如應(yīng)用程序的任一部分，如用戶界面、圖形、數(shù)據(jù)庫(kù)或網(wǎng)絡(luò)僅需軟實(shí)時(shí)性能，最好是將該部分寫(xiě)入用戶空間。然后，僅將必須滿足時(shí)序要求的那部分寫(xiě)成實(shí)時(shí)任務(wù)。

任何硬實(shí)時(shí)任務(wù)都是在RTLinux的控制下運(yùn)行的，該任務(wù)一般可執(zhí)行周期性任務(wù)、處理中斷并與I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通信，以采集或輸出模擬和數(shù)字信息。當(dāng)實(shí)時(shí)任務(wù)需要告訴用戶進(jìn)程有一個(gè)事件將發(fā)生時(shí)，它便將這一消息送給實(shí)時(shí)FIFO。每一個(gè)FIFO都是在一個(gè)方向上傳送數(shù)據(jù)：從實(shí)時(shí)任務(wù)到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個(gè)FIFO。任何讀出或?qū)懭雽?shí)時(shí)任務(wù)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。

觀察了FIFO這么久（從應(yīng)用程序的角度看），我是實(shí)在看不出她有什么與眾不同。缺省情況下，RTLinux安裝程序?qū)⒃?dev目錄下創(chuàng)建64個(gè)實(shí)時(shí)FIFO節(jié)點(diǎn)；如果需要，還必須自己創(chuàng)建新的節(jié)點(diǎn)。例如，要?jiǎng)?chuàng)建/dev/rtf80，需采用如下命令：
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　　mknod c 150 80；
　　chmod 0666 /dev/rtf80
　　=========================

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

從用戶進(jìn)程的角度看，實(shí)時(shí)FIFO可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)文件操作。從實(shí)時(shí)任務(wù)來(lái)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(gè)RTLinux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并使用open（）、close（）、read（）和write（）操作。要想將FIFO作為一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，就必須將rtl_cONf.h中的配置變量CONFIG_RTL_POSIX_IO設(shè)定為1。

rtf_create_handler（）可設(shè)置處理程序功能。每次Linux進(jìn)程讀或?qū)慒IFO時(shí)，rtl_fifo驅(qū)動(dòng)程序都要調(diào)用該處理程序。應(yīng)注意的是，該處理程序駐留在Linux內(nèi)核，因此當(dāng)Linux需要調(diào)用時(shí)，從該處理程序進(jìn)行任何內(nèi)核調(diào)用都是安全的。從該處理程序到實(shí)時(shí)任務(wù)間的最好通信方法是使用旗語(yǔ)或線程同步功能。最后，F(xiàn)IFO驅(qū)動(dòng)程序還必須對(duì)內(nèi)核存儲(chǔ)器進(jìn)行配置。因此，實(shí)時(shí)線程內(nèi)的rtf_create（）不應(yīng)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。

以上介紹太書(shū)面，我自己看了一編都犯暈，給大家講一個(gè)生動(dòng)的故事吧！列表1給出了一個(gè)采用兩個(gè)FIFO的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)部分。兩個(gè)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(gè)模塊在開(kāi)發(fā)過(guò)程中未被調(diào)用。然后，調(diào)用rtf_create_handler（ID, &pd_do_aout）以注冊(cè)帶該實(shí)時(shí)FIFO的數(shù)據(jù)采集模擬輸出功能pd_do_aout（）。注意，創(chuàng)建實(shí)時(shí)線程pp_thread_ep（）是因?yàn)樗侵芷谛缘?，其間隔為1/100秒。

每次周期性線程得到系統(tǒng)控制權(quán)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(jìn)程打開(kāi)/dev/rtf2，從實(shí)時(shí)FIFO中讀取并顯示所采集的數(shù)據(jù)。該進(jìn)程還打開(kāi)/dev/rtf1，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入其它實(shí)時(shí)FIFO。當(dāng)用戶移動(dòng)屏幕滑動(dòng)器以改變模擬輸出電壓時(shí)，進(jìn)程就向該FIFO寫(xiě)入一個(gè)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(shí)際的硬件驅(qū)動(dòng)程序以設(shè)置模擬輸出的電壓。可以看到，實(shí)時(shí)任務(wù)和用戶進(jìn)程是異步使用FIFO的。

任務(wù)間的存儲(chǔ)器共享

FIFO為用戶進(jìn)程和實(shí)時(shí)任務(wù)的連接提供了一種方便的機(jī)制，但將它們作為消息隊(duì)列更適合。比如，一個(gè)實(shí)時(shí)線程可利用FIFO記錄測(cè)試結(jié)果，然后用戶進(jìn)程就可讀取該結(jié)果，并將之存入數(shù)據(jù)庫(kù)文件。

許多數(shù)據(jù)采集應(yīng)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(méi)有為這些空間的數(shù)據(jù)共享提供任何機(jī)制，但v. 2.4.0版本預(yù)計(jì)會(huì)包括kiobuf結(jié)構(gòu)。為解決現(xiàn)有穩(wěn)定內(nèi)核的這個(gè)缺點(diǎn)，RTLinux包括mbuff驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序可利用vmalloc（）分配虛擬內(nèi)核存儲(chǔ)器的已命名存儲(chǔ)器區(qū)域，它采用的存儲(chǔ)器分配和頁(yè)面鎖定技巧跟大多數(shù)Linux中bttv幀抓取器驅(qū)動(dòng)程序所用的一樣。

更具體地說(shuō)，mbuff一頁(yè)一頁(yè)地將虛擬內(nèi)存鎖定到實(shí)際的物理內(nèi)存頁(yè)面。任何實(shí)時(shí)或內(nèi)核任務(wù)，或用戶進(jìn)程在任何時(shí)間都可訪問(wèn)該存儲(chǔ)器。通過(guò)將虛擬內(nèi)存頁(yè)面鎖定到物理內(nèi)存頁(yè)面，mbuff可確保所分配的頁(yè)面永久駐留在物理內(nèi)存，而且不會(huì)發(fā)生頁(yè)面錯(cuò)誤。換言之，當(dāng)實(shí)時(shí)或內(nèi)核進(jìn)程訪問(wèn)所分配的存儲(chǔ)器時(shí)，它可確保VMM不被調(diào)用。注意：由于實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行期間實(shí)時(shí)Linux凍結(jié)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的執(zhí)行，任何對(duì)VMM的調(diào)用都會(huì)引起系統(tǒng)暫停。如果它要訪問(wèn)并不位于物理RAM內(nèi)的虛擬存儲(chǔ)頁(yè)面，那么即使正常的Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序也會(huì)引起系統(tǒng)故障。

由于mbuff是一種Linux驅(qū)動(dòng)程序，其功能可通過(guò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/mbuff實(shí)現(xiàn)。該節(jié)點(diǎn)可顯示幾個(gè)錄入點(diǎn)，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(diǎn)ioctl（）來(lái)控制。然而，并不需要復(fù)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(gè)包裹，而且僅僅調(diào)用兩個(gè)簡(jiǎn)單的功能即可配置和釋放共享的存儲(chǔ)緩沖器。

當(dāng)然，不能從實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)用mbuff驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)程序所調(diào)用的虛擬存儲(chǔ)器分配功能本身是不確定性操作。分配共享存儲(chǔ)器所需的時(shí)間依賴于主系統(tǒng)的存儲(chǔ)器容量以及CPU速度、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器性能和存儲(chǔ)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(lái)分配共享存儲(chǔ)器，比如從init_module（）或一個(gè)ioctl（）請(qǐng)求開(kāi)始。

那么，一個(gè)共享緩沖器到底能分配多少存儲(chǔ)器呢？如果不是任務(wù)繁重的服務(wù)器或圖形應(yīng)用，建議至少為L(zhǎng)inux保留8MB存儲(chǔ)空間。為了獲得優(yōu)化的配置，可在限制存儲(chǔ)器大小的同時(shí)測(cè)量實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的性能，以確定需要多少存儲(chǔ)空間。

列表2給出了如何從實(shí)時(shí)任務(wù)和用戶進(jìn)程方面訪問(wèn)共享的存儲(chǔ)器。內(nèi)核模塊和用戶任務(wù)采用同樣的功能集。當(dāng)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(hào)名buf_name分配給一個(gè)緩沖器，而mbuff_free（"buf_name", mbuf）可將之釋放。

當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用帶有符號(hào)緩沖器名的mbuff_alloc（）時(shí)，mbuff執(zhí)行實(shí)際的存儲(chǔ)器分配。而當(dāng)從內(nèi)核模塊或用戶進(jìn)程再次調(diào)用該功能時(shí)，它只是簡(jiǎn)單地增加使用數(shù)（usage count）及將指針?lè)祷噩F(xiàn)有的緩沖器。每次調(diào)用mbuff_free（）都會(huì)減少使用數(shù)，直至為零，這時(shí)mbuff就去分配帶符號(hào)名的緩沖器。這種方法從多個(gè)內(nèi)核模塊和用戶進(jìn)程獲得一個(gè)指向同一共享緩沖器的指針，從而解決了問(wèn)題。它還可確保共享緩沖器一直有效，直到最后的應(yīng)用程序釋放它。請(qǐng)注意，是實(shí)時(shí)內(nèi)核還是用戶進(jìn)程執(zhí)行實(shí)際的buf1配置依賴于誰(shuí)先獲得控制權(quán)。

還有一個(gè)“笨”方法可在實(shí)時(shí)應(yīng)用程序、內(nèi)核模塊和用戶應(yīng)用程序間共享存儲(chǔ)器。對(duì)于嵌入式應(yīng)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(jìn)lilo.conf文件（列表3）。當(dāng)啟動(dòng)帶有Linux內(nèi)核和RTLinux 2.3的系統(tǒng)時(shí)，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(yùn)行的各種任務(wù)共享。要想從用戶進(jìn)程獲取存儲(chǔ)器地址并訪問(wèn)預(yù)留的存儲(chǔ)器，必須用O_RDWR訪問(wèn)模式來(lái)打開(kāi)/dev/mem驅(qū)動(dòng)程序，然后利用mmap（）保留存儲(chǔ)器（列表4）。而從實(shí)時(shí)模塊或內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序一側(cè)進(jìn)行，則必須使用ioremap（0x7F00000, 0x100000）才能獲取這8MB （0x100000字節(jié)）預(yù)留內(nèi)存。

這種方法有利有弊。既不能通過(guò)預(yù)留內(nèi)存的所有權(quán)，也不能通過(guò)讀或?qū)憗?lái)獲取控制權(quán)。正確地配置和釋放大量?jī)?nèi)存的機(jī)制尚未問(wèn)世。另外，無(wú)論實(shí)時(shí)進(jìn)程是否需要，該內(nèi)存都不能為L(zhǎng)inux所用。

也許存儲(chǔ)器共享笨方法的唯一適用場(chǎng)合是專為特定應(yīng)用而定制的小型嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)榇藭r(shí)可為小型化而放棄使用mbuff驅(qū)動(dòng)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(diǎn)在于可無(wú)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(dāng)有用的（由參考文獻(xiàn)5可獲得更多有關(guān)Linux環(huán)境下中斷處理的細(xì)節(jié)）。

硬（實(shí)時(shí)）中斷是安裝實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)Linux下硬（或?qū)崟r(shí)）中斷的延遲是15μs的數(shù)量級(jí)。較快的處理器具有較好的延遲。如果想在實(shí)時(shí)處理程序和常規(guī)Linux驅(qū)動(dòng)程序中處理同一設(shè)備IRQ，必須為每一個(gè)硬中斷單獨(dú)設(shè)置IRQ。

列表5給出了安裝實(shí)時(shí)中斷處理程序的過(guò)程。RTLinux在執(zhí)行實(shí)時(shí)中斷處理程序時(shí)將禁止IRQ。應(yīng)注意，該代碼須在退出實(shí)時(shí)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(gè)問(wèn)題影響直接從實(shí)時(shí)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(yīng)注意的是，這里也不能執(zhí)行浮點(diǎn)操作。利用實(shí)時(shí)中斷處理程序來(lái)控制線程執(zhí)行是避免出現(xiàn)這些問(wèn)題的好辦法。本例采用pthread_wakeup_np（）功能來(lái)喚醒一個(gè)實(shí)時(shí)線程。中斷處理程序可處理即時(shí)的工作，余下的由該線程解決。

SMP結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

實(shí)時(shí)Linux都支持多處理器架構(gòu)。對(duì)稱多處理器（SMP）結(jié)構(gòu)采用了高級(jí)可編程中斷控制器（APIC），奔騰級(jí)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(lái)自外設(shè)的中斷請(qǐng)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(shè)備共享中斷，使得中斷處理更慢。但是，APIC可解決這些問(wèn)題。通過(guò)為每個(gè)設(shè)備請(qǐng)求設(shè)置一個(gè)特定的IRQ，系統(tǒng)可減少中斷延遲，APIC還可加速同步代碼。

實(shí)時(shí)Linux可充分利用APIC。在SMP系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)調(diào)度程序利用APIC，而不是采用過(guò)時(shí)的8254芯片來(lái)完成時(shí)序分配。由于PC的兼容性，8254位于每一個(gè)ISA總線上，而且每一個(gè)再編程設(shè)備的調(diào)用都要占用處理器周期。一個(gè)千兆赫CPU要浪費(fèi)數(shù)百個(gè)處理器周期來(lái)等待8MHz定時(shí)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(shí)器操作，這意味著必須利用本地APIC時(shí)鐘在AMP機(jī)器上獲取更高的周期性頻率（雙P-III-500 CPU可在100kHz運(yùn)行周期性實(shí)時(shí)線程，而無(wú)明顯的性能損失）。

實(shí)時(shí)Linux能很好地執(zhí)行多處理任務(wù)，它為每個(gè)CPU實(shí)施單獨(dú)的進(jìn)程。調(diào)用pthread_create（）可創(chuàng)建一個(gè)在現(xiàn)有CPU上運(yùn)行的線程。還可用pthread_attr_setcpu_np（）將該線程分配給一個(gè)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(yù)留SMP平臺(tái)上的一個(gè)CPU，專供RTLinux使用。它可運(yùn)行于2.4x內(nèi)核，RTAI也具有幾乎同樣的功能。

如果想將任務(wù)分給某一特定的CPU，請(qǐng)留意“pset”方案（http://isunix.it.ilstu.edu/thockin/pset/）。利用該內(nèi)核可將一個(gè)SMP處理器專門(mén)分配給一個(gè)用戶應(yīng)用程序，甚至可從Linux處理器組中調(diào)用一個(gè)處理器專用于實(shí)時(shí)任務(wù)。

同步基元

早期的實(shí)時(shí)Linux沒(méi)有同步基元?，F(xiàn)在，POSIX型的旗語(yǔ)、互斥和信號(hào)在最新的實(shí)時(shí)Linux版本中都已出現(xiàn)。雖然在實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)中采用這些同步基元還存在問(wèn)題，但同步或用信號(hào)表示實(shí)時(shí)任務(wù)和用戶應(yīng)用程序很有意義，然而，這要求軟件開(kāi)發(fā)者具有高超的技能，這一問(wèn)題已超出本文的討論范圍。

快速學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)旗語(yǔ)的很好起點(diǎn)。

實(shí)時(shí)Linux發(fā)展方向

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

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)。

軟實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)

RTLinux通過(guò)一個(gè)高效的、可搶先的實(shí)時(shí)調(diào)度核心來(lái)全面接管中斷，并把Linux作為此實(shí)時(shí)核心的一個(gè)優(yōu)先級(jí)最低的進(jìn)程運(yùn)行。當(dāng)有實(shí)時(shí)任務(wù)需要處理時(shí)，RTLinux運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)；無(wú)實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，RTLinux運(yùn)行Linux的非實(shí)時(shí)進(jìn)程。在Linux進(jìn)程和硬件中斷之間，本來(lái)由Linux內(nèi)核完全控制，現(xiàn)在在Linux內(nèi)核和硬件中斷的地方加上了一個(gè)RTLinux內(nèi)核的控制。Linux的控制信號(hào)都要先交給RTLinux內(nèi)核進(jìn)行處理。在RTLinux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬中斷機(jī)制，Linux本身永遠(yuǎn)不能屏蔽中斷，它發(fā)出的中斷屏蔽信號(hào)和打開(kāi)中斷信號(hào)都修改成向RTLinux發(fā)送一個(gè)信號(hào)。如在Linux里面使用“SI”和“CLI”宏指令，讓RTLinux里面的某些標(biāo)記做了修改。也就是說(shuō)將所有的中斷分成Linux中斷和實(shí)時(shí)中斷兩類。如果RTLinux內(nèi)核接收到的中斷信號(hào)是普通Linux中斷，那就設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位；如果是實(shí)時(shí)中斷，就繼續(xù)向硬件發(fā)出中斷。在RTLinux中執(zhí)行STI將中斷打開(kāi)之后，那些設(shè)置了標(biāo)志位表示的Linux中斷就繼續(xù)執(zhí)行，因此，CLI并不能禁止RTLinux內(nèi)核的運(yùn)行，卻可以用來(lái)中斷Linux。Linux不能中斷自己，而RTLinux可以。

RTLinux在默認(rèn)的情況下采用優(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、確定周期調(diào)度。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。

對(duì)于一個(gè)操作系統(tǒng)而言，精確的定時(shí)機(jī)制雖然可以提高任務(wù)調(diào)度器的效率，但會(huì)增加CPU處理定時(shí)中斷的時(shí)間開(kāi)銷。RTLinux對(duì)時(shí)間精度和時(shí)鐘中斷處理的時(shí)間開(kāi)銷進(jìn)行了折中考慮。不是像Linux那樣將8254定時(shí)器設(shè)計(jì)成10ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷的固定模式，而是將定時(shí)器芯片設(shè)置為終端計(jì)時(shí)中斷方式。根據(jù)最近的進(jìn)程的時(shí)間需要，不斷調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)間隔。這樣不僅可以獲得高定時(shí)精度，同時(shí)中斷處理的開(kāi)銷又最小。

硬實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)

硬件實(shí)時(shí)部分被作為實(shí)時(shí)任務(wù)來(lái)執(zhí)行，并從外部設(shè)備拷貝數(shù)據(jù)到一個(gè)叫做實(shí)時(shí)有名管道（RTFIFO）的特殊I/O端口；程序主要部分作為標(biāo)準(zhǔn)Linux進(jìn)程來(lái)執(zhí)行。它將從RTFIFO中讀取數(shù)據(jù)，然后顯示并存儲(chǔ)到文件中，實(shí)時(shí)部分將被寫(xiě)入內(nèi)核。設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)有名管道是為了使實(shí)時(shí)任務(wù)在讀和寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)不被阻塞。

RTLinux將標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核作為簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）里優(yōu)先權(quán)最低的線程來(lái)運(yùn)行，從而避開(kāi)了Linux內(nèi)核性能的問(wèn)題。 從圖3可以看出，RTLinux擁有兩個(gè)內(nèi)核。這就意味著有兩組單獨(dú)的API，一個(gè)用于Linux環(huán)境，另一個(gè)用于實(shí)時(shí)環(huán)境。此外，為保證實(shí)時(shí)進(jìn)程與非實(shí)時(shí)Linux進(jìn)程不順序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊(duì)列。RT-FIFO被Linux視為字符設(shè)備，最多可達(dá)150個(gè)，分別命名為/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最大的RT-FIFO數(shù)量在系統(tǒng)內(nèi)核編譯時(shí)設(shè)定。

RTLinux程序運(yùn)行于用戶空間和內(nèi)核態(tài)兩個(gè)空間。RTLinux提供了應(yīng)用程序接口。借助這些API函數(shù)將實(shí)時(shí)處理部分編寫(xiě)成內(nèi)核模塊，并裝載到RTLinux內(nèi)核中，運(yùn)行于RTLinux的內(nèi)核態(tài)。非實(shí)時(shí)部分的應(yīng)用程序則在Linux下的用戶空間中執(zhí)行。這樣可以發(fā)揮Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)大支持功能。

Alex Ivchenko博士是聯(lián)合電子實(shí)業(yè)公司的研發(fā)工程經(jīng)理，也是該公司PowerDAQ II系列PCI數(shù)據(jù)采集板的主要開(kāi)發(fā)者之一。最近，他正為該系列卡編寫(xiě)Linux驅(qū)動(dòng)程序。可通過(guò)電子郵件aivchenko@ueidaq.com與他聯(lián)系。

講了這么大段，不知道大家有沒(méi)對(duì)RTLinux進(jìn)一步了解，或許在不久的將來(lái)，你也會(huì)深深的愛(ài)上她，我們來(lái)總結(jié)下：上面我們一共討論了她的日常生活（運(yùn)作），她的與眾不同，當(dāng)然她的外貌也是揮之不去的，下面為了鄉(xiāng)親們的幸福，我特地請(qǐng)教了谷歌大哥RTLinux的出生背景和她的生日哦！大家努力研讀吧！幸福在向我們招手！

RTLinux大掃盲：

RTLinux（AReal-Time Linux,亦稱作實(shí)時(shí)Linux）是Linux中的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它由新墨西哥礦業(yè)及科技學(xué)院的V. Yodaiken開(kāi)發(fā)。目前，RTLinux有一個(gè)由社區(qū)支持的免費(fèi)版本，稱為RTLinux Free，以及一個(gè)來(lái)自FSMLabs的商業(yè)版本，稱作RTLinux Pro。

RTLinux是由美國(guó)新墨西哥州的fsmlabs（finite state machine labs, 有限狀態(tài)機(jī)實(shí)驗(yàn)室）公司開(kāi)發(fā)的、利用linux開(kāi)發(fā)的面向?qū)崟r(shí)和嵌入式應(yīng)用的操作系統(tǒng)。在rtlinux宣言中，這樣描述rtlinux ： rtlinux is the hard realtime variant of linux that makes it possible to control robots, data acquisition systems, manufacturing plants, and other time-sensitive instruments and machines。

到目前為止，RT-Linux已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天飛機(jī)的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測(cè)控和電影特技圖像處理等廣泛領(lǐng)域，在電信、工業(yè)自動(dòng)化和航空航天等實(shí)時(shí)領(lǐng)域也有成熟應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)滲透到日常生活的各個(gè)層面，包括傳統(tǒng)的數(shù)控領(lǐng)域、軍事、制造業(yè)和通信業(yè)，甚至連潛力巨大的信息家電、媒體廣播系統(tǒng)和數(shù)字影像設(shè)備都對(duì)實(shí)時(shí)性提出了愈來(lái)愈高的要求。

RT-Linux開(kāi)發(fā)者并沒(méi)有針對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特性而重寫(xiě)Linux的內(nèi)核，因?yàn)檫@樣做的工作量非常大，而且要保證兼容性也非常困難。將linux的內(nèi)核代碼做一些修改，將linux本身的任務(wù)以及l(fā)inux內(nèi)核本身作為一個(gè)優(yōu)先級(jí)很低的任務(wù)，而實(shí)時(shí)任務(wù)作為優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。即在實(shí)時(shí)任務(wù)存在的情況下運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)，否則才運(yùn)行l(wèi)inux本身的任務(wù)。TRLinux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。

它是Linux在實(shí)時(shí)性方面的擴(kuò)展，采用已獲得專利的雙核技術(shù)：一個(gè)微型的RTLinux內(nèi)核把原始的Linux內(nèi)核作為它在空閑時(shí)的一個(gè)線程來(lái)運(yùn)行。這開(kāi)啟了在兩個(gè)不同的內(nèi)核層面上――實(shí)時(shí)的RTLinux內(nèi)核和常用的，非實(shí)時(shí)的Linux內(nèi)核――運(yùn)行不同程序的新方式。原始的Linux內(nèi)核通過(guò)RTLinux內(nèi)核訪問(wèn)硬件。這樣，所有硬件實(shí)際上都是由RTLinux來(lái)進(jìn)行管理的。目前，有兩種不同的RTLinux版本：RTLinux/Free（或者RTLinux/Open）和RTLinux/Pro. RTLinux/Pro是一個(gè)由FSMLabs開(kāi)發(fā)的完全商業(yè)版本的實(shí)時(shí)linux。RTLinux/Free是一個(gè)由社區(qū)開(kāi)發(fā)的開(kāi)源版本。