RTlinux的介紹

1.RTLinux

RTLinux是由美國新墨西哥州的fsmlabs(finite STate machine labs, 有限狀態(tài)機實驗室)公司開發(fā)的、利用linux開發(fā)的面向?qū)崟r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)用于航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領(lǐng)域，在電信、工業(yè)自動化和航空航天等實時領(lǐng)域也有成熟應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，實時系統(tǒng)已經(jīng)滲透到日常生活的各個層面，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)備都對實時性提出了愈來愈高的要求。

RT-Linux開發(fā)者并沒有針對實時操作系統(tǒng)的特性而重寫Linux的內(nèi)核，因為這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)核本身作為一個優(yōu)先級很低的任務(wù)，而實時任務(wù)作為優(yōu)先級最高的任務(wù)。即在實時任務(wù)存在的情況下運行實時任務(wù)，否則才運行l(wèi)inux本身的任務(wù)。TRLinux能夠創(chuàng)建精確運行的符合POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)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。

它是Linux在實時性方面的擴展，采用已獲得專利的雙核技術(shù):一個微型的RTLinux內(nèi)核把原始的Linux內(nèi)核作為它在空閑時的一個線程來運行。這開啟了在兩個不同的內(nèi)核層面上――實時的RTLinux內(nèi)核和常用的，非實時的Linux內(nèi)核――運行不同程序的新方式。原始的Linux內(nèi)核通過RTLinux內(nèi)核訪問硬件。這樣，所有硬件實際上都是由RTLinux來進行管理的。目前，有兩種不同的RTLinux版本：RTLinux/Free(或者RTLinux/Open)和RTLinux/Pro. RTLinux/Pro是一個由FSMLabs開發(fā)的完全商業(yè)版本的實時linux。RTLinux/Free是一個由社區(qū)開發(fā)的開源版本。

2.標(biāo)準(zhǔn)Linux影響實時性的機制

現(xiàn)有的Linux是一個通用的操作系統(tǒng)，雖然它采用了許多技術(shù)來提高系統(tǒng)的運行和反應(yīng)速度，但它本質(zhì)上不是一個實時操作系統(tǒng)，應(yīng)用于嵌入式環(huán)境中還存在諸多的不足。具體表現(xiàn)如下：

1.關(guān)中斷問題

在系統(tǒng)調(diào)用中，為了保護臨界區(qū)資源，Linux處于內(nèi)核臨界區(qū)時，中斷會被系統(tǒng)屏蔽，這就意味著如果當(dāng)前進程正處于臨界區(qū)，即使它的優(yōu)先級較低，也會延遲高優(yōu)先級的中斷請求。在實時應(yīng)用中，這是一個十分嚴(yán)重的問題。

2.進程調(diào)度問題

Linux采用標(biāo)準(zhǔn)的UNIX技術(shù)使得內(nèi)核是不可搶占的。采用基于固定時間片的可變優(yōu)先級調(diào)度，不論進程的優(yōu)先級多么低，Linux總會在某個時候分給該進程一個時間片運行，即使同時有可以運行的高優(yōu)先級進程，它也必須等待低優(yōu)先級進程的時間片用完，這對一些要求高優(yōu)先級進程立即搶占CPU的實時應(yīng)用是不能滿足要求的。

3.時鐘問題

Linux為了提高系統(tǒng)的平均吞吐率，將時鐘中斷的最小間隔設(shè)置為10ms，這對于一個周期性的實時任務(wù)，間隔要求小于10ms時，就不能滿足實時任務(wù)的需要。如果要把時鐘 的間隔改小以滿足周期性的實時任務(wù)的需要，由于Linux的進程切換比較費時，時鐘中斷越頻繁，而花在中斷處理上的時間就越多,系統(tǒng)的大部分時間是調(diào)用進程調(diào)度程序進行進程調(diào)度而不能進行正常的處理。

3.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(zhǔn)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)。

4.RTLinux的實現(xiàn)機理

RT-Linux對Linux內(nèi)核進行改造，將Linux內(nèi)核工作環(huán)境做了一些變化，如圖1所示：

 

 

圖1 RTLinux對Linux內(nèi)核改變

RTLinux有兩種中斷：硬中斷和軟中斷。軟中斷是常規(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。硬中斷是安裝實時Linux的前提。依賴于不同的系統(tǒng)，實時Linux下硬中斷的延遲是15μs。

它在Linux內(nèi)核的下層實現(xiàn)了一個簡單的實時內(nèi)核,而Linux本身作為這個實時內(nèi)核的優(yōu)先級最低的任務(wù),所有的實時任務(wù)的優(yōu)先級都高于Linux系統(tǒng)本身的以及Linux系統(tǒng)下的一般任務(wù)。RTLinux的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 

 

圖2 RTLinux的體系結(jié)構(gòu)

RTLinux的設(shè)計思想是:應(yīng)用硬件的實時約束將實時程序分割成短小簡單的部分,較大部分承擔(dān)較復(fù)雜的任務(wù)。根據(jù)這一原則,將應(yīng)用程序分為硬實時和軟實時(即程序)2個部分。

硬實時的實現(xiàn):

硬件實時部分被作為實時任務(wù)來執(zhí)行,并從外部設(shè)備拷貝數(shù)據(jù)到一個叫做實時有名管道(RTFIFO)的特殊I/O端口;程序主要部分作為標(biāo)準(zhǔn)Linux進程來執(zhí)行。它將從RTFIFO中讀取數(shù)據(jù),然后顯示并存儲到文件中,實時部分將被寫入內(nèi)核。設(shè)計實時有名管道是為了使實時任務(wù)在讀和寫數(shù)據(jù)時不被阻塞。圖3所示的是RTFIFO結(jié)構(gòu)圖。

 

 

圖3 RT-FIFO結(jié)構(gòu)圖

RTLinux將標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核作為簡單實時操作系統(tǒng)(RTOS)(或叫子內(nèi)核)里優(yōu)先權(quán)最低的線程來運行，從而避開了Linux內(nèi)核性能的問題。 從圖3可以看出，RTLinux擁有兩個內(nèi)核。這就意味著有兩組單獨的API，一個用于Linux環(huán)境，另一個用于實時環(huán)境。此外，為保證實時進程與非實時Linux進程不順序進行數(shù)據(jù)交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊列。RT-FIFO被Linux視為字符設(shè)備，最多可達150個，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)核編譯時設(shè)定。[!--empirenews.page--]

RTLinux程序運行于用戶空間和內(nèi)核態(tài)兩個空間。RTLinux提供了應(yīng)用程序接口。借助這些API函數(shù)將實時處理部分編寫成內(nèi)核模塊，并裝載到RTLinux內(nèi)核中，運行于RTLinux的內(nèi)核態(tài)。非實時部分的應(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對網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的強大支持功能。

軟實時的實現(xiàn):

RTLinux通過一個高效的、可搶先的實時調(diào)度核心來全面接管中斷，并把Linux作為此實時核心的一個優(yōu)先級最低的進程運行。當(dāng)有實時任務(wù)需要處理時，RTLinux運行實時任務(wù);無實時任務(wù)時，RTLinux運行Linux的非實時進程。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

 

 

圖4 RTLinux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在Linux進程和硬件中斷之間,本來由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RTLinux內(nèi)核的控制。Linux的控制信號都要先交給RTLinux內(nèi)核進行處理。在RTLinux內(nèi)核中實現(xiàn)了一個虛擬中斷機制,Linux本身永遠(yuǎn)不能屏蔽中斷,它發(fā)出的中斷屏蔽信號和打開中斷信號都修改成向RTLinux發(fā)送一個信號。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。也就是說將所有的中斷分成Linux中斷和實時中斷兩類。如果RTLinux內(nèi)核接收到的中斷信號是普通Linux中斷,那就設(shè)置一個標(biāo)志位;如果是實時中斷,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)核的運行,卻可以用來中斷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)(周期段的實時任務(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。

對于一個操作系統(tǒng)而言，精確的定時機制雖然可以提高任務(wù)調(diào)度器的效率，但會增加CPU處理定時中斷的時間開銷。RTLinux對時間精度和時鐘中斷處理的時間開銷進行了折中考慮。不是像Linux那樣將8254定時器設(shè)計成10ms產(chǎn)生一次定時中斷的固定模式，而是將定時器芯片設(shè)置為終端計時中斷方式。根據(jù)最近的進程的時間需要，不斷調(diào)整定時器的定時間隔。這樣不僅可以獲得高定時精度，同時中斷處理的開銷又最小。

5.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，對在嵌入式系統(tǒng)中的實現(xiàn)加以闡述。

a.中斷仿真

在中斷控制硬件與LINUX核心之間放置一個軟件仿真層。具體做法是，在LINUX源碼中出現(xiàn)cli、sti和IRet的所有地方都用仿真宏：S_CLI、S_STI和S_IRET來替換。所有的硬件中斷就都被仿真器所截獲。

當(dāng)需要關(guān)中斷時，就將仿真器中的一個變量置0。不論何時若有中斷發(fā)生，仿真器就檢查這個變量。如果是1(LINUX已開中斷)，就立即調(diào)用LINUX的中斷處理程序;否則，LINUX中斷被禁止，中斷處理程序不會被調(diào)用，而是在保存著所有掛起中斷的信息的變量的相應(yīng)位置1。當(dāng)LINUX重新開中斷，所有掛起中斷的處理程序都會被執(zhí)行。這種仿真方式可以稱之為"軟中斷"。

b.實時任務(wù)

實時任務(wù)是在一個由核心控制的調(diào)度程序的調(diào)度下執(zhí)行的用戶定義的程序。

RT-LINUX最初將實時任務(wù)設(shè)計成ELF格式的目標(biāo)文件。這一設(shè)計方案的最大缺點就是性能比較差。原因在于，第一，486的緩存是虛擬的。所以每當(dāng)頁表目錄的基址寄存器改變時，TLB(轉(zhuǎn)換后備緩沖器)就會失效。由于實時任務(wù)的上下文轉(zhuǎn)換頻繁，所以TLB的頻繁失效就導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。第二，486的保護級別變換耗時不少。比如，陷入更高級別時需要71個循環(huán)，而其它指令一般少于10個循環(huán)。

解決的辦法就是使用可加載模組技術(shù)，所有的實時任務(wù)都同處于一個地址空間-內(nèi)核地址空間，不僅避免了頻繁的TLB失效，同時也消除了變換保護級別的消耗，而且任務(wù)轉(zhuǎn)換也變得相當(dāng)容易。

c.進程調(diào)度

實時系統(tǒng)的進程調(diào)度的主要任務(wù)就是滿足實時任務(wù)在時間上的要求。調(diào)度算法的種類很多，沒有一個策略是放之四海而皆準(zhǔn)的，因此采用哪種算法要取決于具體應(yīng)用。

RT-LINUX采用的方法是允許用戶編寫自己的調(diào)度程序，并可以編譯成模組的形式。這樣就可以方便地試驗不同的策略和算法對于某一特定應(yīng)用的適合性，從中選出最優(yōu)。

RT-LINUX自帶的是一個基于優(yōu)先數(shù)的搶占式調(diào)度程序。此調(diào)度程序?qū)INUX當(dāng)作具有最低優(yōu)先數(shù)的實時任務(wù)。因此，LINUX只在實時系統(tǒng)無任何實時任務(wù)是才運行。在從LINUX切換到實時任務(wù)時，系統(tǒng)記下軟中斷的狀態(tài)并禁止軟中斷。在切換回來實，再恢復(fù)軟中斷的狀態(tài)。

d.時鐘

調(diào)度程序需要精確的時鐘才能準(zhǔn)確操作。調(diào)度通常是在特定的時刻進行任務(wù)切換。時鐘的偏差會引起預(yù)定調(diào)度的偏差，導(dǎo)致產(chǎn)生被稱為任務(wù)發(fā)布抖動的現(xiàn)象。這是一種應(yīng)該盡量避免的不良現(xiàn)象。

RT-LINUX的解決辦法是，將IBM PC兼容機中的時鐘芯片Intel 8254設(shè)置為中斷開啟終端計數(shù)模式。在這種模式下，精度可以達到1毫秒。這樣在降低中斷處理的影響的同時，獲得了較高的時鐘精度。

e.IPC

由于標(biāo)準(zhǔn)LINUX核心可以被實時任務(wù)在任意時刻搶占，所以實時任務(wù)無法安全地調(diào)用LINUX的程序。但是總要有一個信息交換的機制。

在RT-LINUX中所用的信息交換方式是RT-FIFO(實時隊列)。它與UNIX的管道非常相似，都是一個無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流。通過RT-FIFO，LINUX的進程之間，實時進程之間，以及LINUX的核心與實時進程之間可以交換信息。

對于一個普通的進程來說，RT-FIFO就是一個特殊的字符文件。這些文件必須自建：

# for i in 0 1 2 3; do mknod /dev/rtf$i c 63 $i; done