Linux實時化解決方案Xenomai的原理及應用

 引 言

隨著嵌入式設備的快速發(fā)展，嵌入式設備的功能和靈活性要求越來越高，很多嵌入式設備中都開始使用操作系統(tǒng)。由于工作的特殊性，很多嵌入式設備要求系統(tǒng)對外部事件的中斷響應必須在事先設定的時限范圍內完成，使系統(tǒng)具有可預測性，而通用的桌面操作系統(tǒng)大都是非實時或者是軟實時的，無法滿足需求，因此就必須使用實時操作系統(tǒng)(Real-TIme OperATIng System,RTOS)。

實時操作系統(tǒng)(RTOS)是指當外界事件或數(shù)據產生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規(guī)定的時間之內來控制生產過程或對處理系統(tǒng)作出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調一致運行的操作系統(tǒng)。因而，提供及時響應和高可靠性是其主要特點。實時操作系統(tǒng)有硬實時和軟實時之分，硬實時要求在規(guī)定的時間內必須完成操作，這是在操作系統(tǒng)設計時保證的;軟實時則只要按照任務的優(yōu)先級，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統(tǒng)在經過一定改變之后就可以變成實時操作系統(tǒng)。

實時系統(tǒng)又有軟實時系統(tǒng)(soft real-time system)和硬實時系統(tǒng)(hard real-time sySTem)之分。軟實時系統(tǒng)是指那些在系統(tǒng)負荷較重時，允許發(fā)生錯過時限(deadline)的情況而且不會造成太大危害的系統(tǒng)，如電視會議系統(tǒng);而硬實時系統(tǒng)是指那些對每個任務的調度時間要求非常嚴格的系統(tǒng)，如果不滿足時間限制的要求，則會給系統(tǒng)帶來毀滅性的后果。實時系統(tǒng)(Real-time operating system,RTOS)的正確性不僅依耐系統(tǒng)計算的邏輯結果，還依賴于產生這個結果的時間。實時系統(tǒng)能夠在指定或者確定的時間內完成系統(tǒng)功能和外部或內部、同步或異步時間做出響應的系統(tǒng)。因此實時系統(tǒng)應該在事先先定義的時間范圍內識別和處理離散事件的能力;系統(tǒng)能夠處理和儲存控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據。

在嵌入式系統(tǒng)領域，實時系統(tǒng)的核心是實時操作系統(tǒng)。目前已有很多商業(yè)實時操作系統(tǒng)，著名的有WindRiver公司的VxWorks,其他的有QNX、pSOS+等。它們的優(yōu)點是具有非常好的穩(wěn)定性、可靠性和實時性，但是一般價格昂貴且互不兼容，而且源代碼作為商業(yè)秘密而不公開。

嵌入式實時系統(tǒng)的特點

一、時間約束性實時系統(tǒng)的任務具有一定的時間約束(截止時間)。根據截止時間，實時系統(tǒng)的實時性分為"硬實時"和"軟實時".硬實時是指應用的時間需求能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產損失和生態(tài)破壞，如在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關鍵領域中的應用。軟實時是指某些應用雖然提出時間需求，但實時任務偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運行及環(huán)境不會造成嚴重影響，如監(jiān)控系統(tǒng)等和信息采集系統(tǒng)等。

二、可預測性可預測性是指系統(tǒng)能夠對實時任務的執(zhí)行時間進行判斷，確定是否能夠滿足任務的時限要求。由于實時系統(tǒng)對時間約束要求的嚴格性，使可預測性稱為實時系統(tǒng)的一項重要性能要求。除了要求硬件延遲的可預測性以外，還要求軟件系統(tǒng)的可預測性，包括應用程序的響應時間是可預測的，即在有限的時間內完成必須的工作;以及操作系統(tǒng)的可預測性，即實時原語、調度函數(shù)等運行開銷應是有界的，以保證應用程序執(zhí)行時間的有界性。

1 Linux 2.6內核的實時性分析

相對于老版本內核，Linux 2.6版本的內核結構做了很大的改動，開發(fā)者對很多功能模塊的代碼都進行了重寫。最為顯著的改進是在影響系統(tǒng)實時性的進程調度方面，包括采用可搶占內核和新的0(1)調度程序。

但是Linux在最初的設計是用作個人PC或者小型服務器的操作系統(tǒng)，由于設計要求的針對性，導致了Linux無法提供硬實時環(huán)境，直接影響了它的硬實時性能。這主要表現(xiàn)在兩方面：

(1)進程調度方式

Linux的進程調度采用的是時間片輪轉調度策略。不論進程優(yōu)先級的高低，Linux在某段時間內都會分配給該進程一個時間片運行，也就是說它的設計更注重任務調度的公平性。這種情況下，就會出現(xiàn)高優(yōu)先級進程由于其時間片的耗盡而被迫放棄處理器，處理器被沒有耗盡時間片的低優(yōu)先級進程所占用的現(xiàn)象。

(2)時鐘粒度粗糙

在Linux 2.6版本內核中，時鐘中斷發(fā)生的頻率范圍為50~1 200Hz,周期不小于0.8 ms,而工業(yè)上很多的中斷周期都在幾十μs之內。

對于上面提到的影響Linux實時性的問題，目前的解決辦法主要有2種：

①對Linux內核的內部進行實時改造，即直接修改Linux內核的數(shù)據結構、調度方式以及中斷方式(主要是時鐘中斷)。

采用這種方法，實時化改造后的系統(tǒng)實時性較好，但是工作量大，并且可能會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。最大的缺點是：原本在Linux上運行的設備驅動程序和應用程序不能直接在改進的內核上運行。典型代表有Kurt-Linux.

②對Linux內核的外部實時擴展，這種方法通常是采用雙內核的辦法。具體是在Linux內核和硬件間加入一個硬件抽象層(Hardware Abstract Layer,HAL)，系統(tǒng)所有的硬件中斷由這個抽象層控制。新創(chuàng)建一個內核專門用來調度實時進程，而普通進程通過原來的Linux內核進行調度。

2 Xenomai原理與應用

2.1 Xenomai簡介及其Adeos實現(xiàn)

Xenomai是一個自由軟件項目，提供了一個基于Linux的實時解決方案。它可以提供工業(yè)級RTOS的性能，而且完全遵守GNU/Linux自由軟件協(xié)議。目前最新穩(wěn)定版本是2.4.5.

Xenomai項目起始于2001年。從2003年夏天起，Xenomai和RTAI有了兩年時間的合作，期間開發(fā)了廣為人知的RTAI/fusiON項目分支。到2005年，Xenomai項目又重新獨立出來。而從2.0.0版本開始，Xenomai在硬件平臺的移植就一直是基于Adeos構架來實現(xiàn)的。

在基于Adeos的系統(tǒng)中，分為多個域。每個域中獨立運行一個操作系統(tǒng)(或者是實現(xiàn)一定功能的程序模塊)，每個域可以有獨立的地址空間和類似于進程、虛擬內存等的軟件抽象層。在各個域下層有一個Adeos通過虛擬中斷等方法來調度上面的各個域。在基于Adeos的系統(tǒng)中，存在著A、B、C、D四種類型的交互，如圖1所示。

A類交互是各個域直接操作硬件設備，包括訪問內存等;B類交互指當Adeos接收到硬件中斷后，會根據中斷來對相應的域進行中斷服務;C類交互指當前域內的操作系統(tǒng)主動向Adeos請求某些服務;D類交互是指Adeos接收硬件產生的中斷和異常，同時也可以直接控制硬件。[!--empirenews.page--]

2.2 Xenomai用戶層實時的實現(xiàn)

Xenomai除了在內核層利用Adeos實現(xiàn)了硬實時外，它在用戶空間也有很好的實時性。在S3C2410平臺上，為了實現(xiàn)用戶層的實時，Xenomai實現(xiàn)了一個硬件計數(shù)器--Decrementer.這個硬件計數(shù)器可以在用戶空問里很好地模擬TSC(Time Stamp Counter,時間戳計數(shù)器)。

同時，Xenomai在Linux內核中加入了一個全新的數(shù)據結構__ipipe_tscinfo,可以通過此數(shù)據結構變量存放用戶層需要的數(shù)據。該數(shù)據結構組成如下：

用戶層，應用程序通過系統(tǒng)調用可以迅速得到struct_ipipe_tscinfo結構體中的數(shù)據。而且為了避免受到緩存的影響，Xenomai將此結構體變量存放在Linux的向量頁中。

內核通過函數(shù)_ipipe_mach_get_tscinfo來填充struct_ipipe_tscinfo結構體變量中的各項內容：

其中，info一>typte說明在S3C2410平臺上TSC是基于Decrementer硬件計數(shù)方式的;info一>u.dec.counter用來將Decrementer計數(shù)器的物理地址設定為0x51000038;info一>u.dec.mask掩碼用來注明使用Dec-rementet.計數(shù)器中的特定位;info一>u.dec.tsc指向存放64位TSC值的區(qū)域。

在Xenomai用戶層的實時程序運行時，程序都會通過系統(tǒng)調用得到內核填充好的struct_ipipe_tscinfo結構體變量。具體實現(xiàn)可參考編譯用戶層實時程序時用到的，由Xenomai所提的頭文件/usr/xenomai/include/asm/syscall.h.

2.3 Xenomai多API構架

除了提供Linux硬實時，Xenomai的另一個目的是使基于Linux的實時操作系統(tǒng)能提供與傳統(tǒng)的工業(yè)級實時操作系統(tǒng)(包括VxWorks、pSOS+、VRTX或者uITRON)功能相同的API.這樣，可以讓這些操作系統(tǒng)下的應用程序能夠很容易地移植到GNU/Linux環(huán)境中，同時保持很好的實時性。

Xenomai的核心技術表現(xiàn)為使用一個實時微內核(real-time nucleus)來構建這些實時API,也稱作"skin".在實時核復用的基礎上，一個skin可以很好地模擬一種實時操作系統(tǒng)的API.它的結構圖可以參考圖2.

圖2中，Native是Xenomai自帶的API,各類API都有著同等的地位，都獨立地基于同一個實時微內核。這樣做可以讓內核的優(yōu)點被外層所有的API很好地繼承下來。更重要的是，實時微內核提供的服務被外層各種API以不同的方式表現(xiàn)出來，由此可以增強整個系統(tǒng)的強壯性。

編制實時程序時，在很多實時操作系統(tǒng)上只能在內核層實現(xiàn);而編制實時內核模塊時，會受到內核的限制，比如有些實時內核不支持浮點運算，模塊出錯時容易使整個系統(tǒng)掛起，而且內核模塊的調試比較困難。Xenomai能夠支持較好的用戶層實時，這為編制實時性要求不是非常高的實時程序提供了一個有效途徑。下面這個用戶層實時例程使用的是Xenomai提供的Native API:

從程序中可以看出，Xenomai的用戶層實時程序的周期可以輕易地設定到μs級，所以它完全可以適用于一般實時性要求的工程應用。

3 總 結

本文首先簡單介紹了實時操作系統(tǒng)，分析了Linux 2.6內核實時性能的不足;然后著重介紹了一個Linux實時化的解決方案--Xenomai,分析了Xenomai的Adeos構架基礎，簡要說明了Xenomai用戶層實時的實現(xiàn)，以及Xenomai支持多種實時操作系統(tǒng)的API的新特點。Linux 2.6.35 Kernel引入了針對Radeon KMS開源顯卡驅動的ATI電源管理支持、新款Intel GMA整合芯片組的Intel H.264 VA-API視頻加速支持、Radeon DRI2同步和交換功能、Btrfs文件系統(tǒng)改進、網絡傳入負載處理器核心分布的RPS和RFS支持等等。

本文給出的Xenomai的用戶層實時例程已經成功地在多個平臺上運行過，表明Xenomai用戶程序在多種硬件平臺上有很好的移植性。