利用RTLinux開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序

　　對于中國工程師來說，利用實時Linux開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序是他們面臨的困難之一，本文以RTLinux為例，并結(jié)合最為業(yè)界關(guān)注的是RTAI進行討論，盡管這兩種實現(xiàn)方式在句法細節(jié)上存在差異，但工作方式基本一樣，因此所講述的內(nèi)容對兩者都適用。

　　在實時任務(wù)與用戶進程相互通信的過程中，有些實時應(yīng)用程序無需任何用戶界面即可在后臺平靜地運行，然而，越來越多的實時應(yīng)用程序確實需要一個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)運行。問題是，用戶空間操作是非確定性的，而且與實時操作不兼容。

　　幸運的是實時Linux具有一種可在時間上減弱實時與非實時操作的機制，這種機制表現(xiàn)為一種稱為實時FIFO的驅(qū)動程序。當(dāng)insmod將rtl_fifo.o驅(qū)動程序插入Linux內(nèi)核時，該驅(qū)動程序?qū)⒆约鹤詾镽TLinux的一部分，并成為Linux驅(qū)動程序。一旦插入Linux內(nèi)核，用戶空間進程和實時任務(wù)都可使用實時Linux FIFO。

　　在深入探討實時FIFO的細節(jié)之前，還要回顧一下實時應(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)計方法是將實時部分與固有的非實時功能分離開來（表1）。如果應(yīng)用程序的任一部分，如用戶界面、圖形、數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡(luò)僅需軟實時性能，最好是將該部分寫入用戶空間。然后，僅將必須滿足時序要求的那部分寫成實時任務(wù)。

　　注意，RTLinux（PSC，便攜式信號編碼）和RTAI（LXRT，Linux實時擴展）的最新版本已采用了一種可在用戶空間執(zhí)行軟和硬實時任務(wù)的方法。

　　任何硬實時任務(wù)都是在RTLinux的控制下運行的，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)動程序通信，以采集或輸出模擬和數(shù)字信息。當(dāng)實時任務(wù)需要告訴用戶進程有一個事件將發(fā)生時，它便將這一消息送給實時FIFO。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數(shù)據(jù)：從實時任務(wù)到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個FIFO。任何讀出或?qū)懭雽崟r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。

　　從應(yīng)用程序一側(cè)來看，F(xiàn)IFO就像一個常規(guī)文件。缺省情況下，RTLinux安裝程序?qū)⒃?dev目錄下創(chuàng)建6？個實時FIFO節(jié)點；如果需要，還必須自己創(chuàng)建新的節(jié)點。例如，要創(chuàng)建/dev/rtf80，需采用如下命令：

　　=========================

　　mknod c 150 80；

　　chmod 0666 /dev/rtf80

　　=========================

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

　　從用戶進程的角度看，實時FIFO可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)文件操作。從實時任務(wù)來看，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RTLinux設(shè)備驅(qū)動程序，并使用open（）、close（）、read（）和write（）操作。要想將FIFO作為一個設(shè)備驅(qū)動程序，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進程讀或?qū)慒IFO時，rtl_fifo驅(qū)動程序都要調(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，從該處理程序進行任何內(nèi)核調(diào)用都是安全的。從該處理程序到實時任務(wù)間的最好通信方法是使用旗語或線程同步功能。最后，F(xiàn)IFO驅(qū)動程序還必須對內(nèi)核存儲器進行配置。因此，實時線程內(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。

　　例如，列表1給出了一個采用兩個FIFO的簡單數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的實時部分。兩個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模塊在開發(fā)過程中未被調(diào)用。然后，調(diào)用rtf_create_handler（ID， &pd_do_aout）以注冊帶該實時FIFO的數(shù)據(jù)采集模擬輸出功能pd_do_aout（）。注意，創(chuàng)建實時線程pp_thread_ep（）是因為它是周期性的，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進程打開/dev/rtf2，從實時FIFO中讀取并顯示所采集的數(shù)據(jù)。該進程還打開/dev/rtf1，將數(shù)據(jù)寫入其它實時FIFO。當(dāng)用戶移動屏幕滑動器以改變模擬輸出電壓時，進程就向該FIFO寫入一個新的值。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)用實際的硬件驅(qū)動程序以設(shè)置模擬輸出的電壓?？梢钥吹?，實時任務(wù)和用戶進程是異步使用FIFO的。

　　任務(wù)間的存儲器共享

　　FIFO為用戶進程和實時任務(wù)的連接提供了一種方便的機制，但將它們作為消息隊列更合適。比如，一個實時線程可利用FIFO記錄測試結(jié)果，然后用戶進程就可讀取該結(jié)果，并將之存入數(shù)據(jù)庫文件。

　　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并沒有為這些空間的數(shù)據(jù)共享提供任何機制，但v. 2.4.0版本預(yù)計會包括kiobuf結(jié)構(gòu)。為解決現(xiàn)有穩(wěn)定內(nèi)核的這個缺點，RTLinux包括mbuff驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序可利用vmalloc（）分配虛擬內(nèi)核存儲器的已命名存儲器區(qū)域，它采用的存儲器分配和頁面鎖定技巧跟大多數(shù)Linux中bttv幀抓取器（frame-grabber）驅(qū)動程序所用的一樣。

　　更具體地說，mbuff一頁一頁地將虛擬內(nèi)存鎖定到實際的物理內(nèi)存頁面。任何實時或內(nèi)核任務(wù)，或用戶進程在任何時間都可訪問該存儲器。通過將虛擬內(nèi)存頁面鎖定到物理內(nèi)存頁面，mbuff可確保所分配的頁面永久駐留在物理內(nèi)存，而且不會發(fā)生頁面錯誤。換言之，當(dāng)實時或內(nèi)核進程訪問所分配的存儲器時，它可確保VMM不被調(diào)用。注意：由于實時任務(wù)執(zhí)行期間實時Linux凍結(jié)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的執(zhí)行，任何對VMM的調(diào)用都會引起系統(tǒng)暫停。如果它要訪問并不位于物理RAM內(nèi)的虛擬存儲頁面，那么即使正常的Linux內(nèi)核驅(qū)動程序也會引起系統(tǒng)故障。

　　由于mbuff是一種Linux驅(qū)動程序，其功能可通過設(shè)備節(jié)點/dev/mbuff實現(xiàn)。該節(jié)點可顯示幾個錄入點，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ioctl（）來控制。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)用提供一個包裹，而且僅僅調(diào)用兩個簡單的功能即可配置和釋放共享的存儲緩沖器。

　　當(dāng)然，不能從實時任務(wù)調(diào)用mbuff驅(qū)動程序，因為該驅(qū)動程序所調(diào)用的虛擬存儲器分配功能本身是不確定性操作。分配共享存儲器所需的時間依賴于主系統(tǒng)的存儲器容量以及CPU速度、磁盤驅(qū)動器性能和存儲器分配的現(xiàn)有狀態(tài)。因此，只能從模塊的Linux內(nèi)核一側(cè)來分配共享存儲器，比如從init_module（）或一個ioctl（）請求開始。

　　那么，一個共享緩沖器到底能分配多少存儲器呢？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Linux保留8MB存儲空間。為了獲得優(yōu)化的配置，可在限制存儲器大小的同時測量實時應(yīng)用程序的性能，以確定需要多少存儲空間。

　　列表2給出了如何從實時任務(wù)和用戶進程方面訪問共享的存儲器。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）可將符號名buf_name分配給一個緩沖器，而mbuff_free（“buf_name”， mbuf）可將之釋放。

　　當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用帶有符號緩沖器名的mbuff_alloc（）時，mbuff執(zhí)行實際的存儲器分配。而當(dāng)從內(nèi)核模塊或用戶進程再次調(diào)用該功能時，它只是簡單地增加使用數(shù)（usage count）及將指針返回現(xiàn)有的緩沖器。每次調(diào)用mbuff_free（）都會減少使用數(shù)，直至為零，這時mbuff就去分配帶符號名的緩沖器。這種方法從多個內(nèi)核模塊和用戶進程獲得一個指向同一共享緩沖器的指針，從而解決了問題。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。請注意，是實時內(nèi)核還是用戶進程執(zhí)行實際的buf1配置依賴于誰先獲得控制權(quán)。

　　還有一個“笨”方法可在實時應(yīng)用程序、內(nèi)核模塊和用戶應(yīng)用程序間共享存儲器。對于嵌入式應(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lilo.conf文件（列表3）。當(dāng)啟動帶有Linux內(nèi)核和RTLinux 2.3的系統(tǒng)時，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下運行的各種任務(wù)共享。要想從用戶進程獲取存儲器地址并訪問預(yù)留的存儲器，必須用O_RDWR訪問模式來打開/dev/mem驅(qū)動程序，然后利用mmap（）保留存儲器（列表4）。而從實時模塊或內(nèi)核驅(qū)動程序一側(cè)進行，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。既不能通過預(yù)留內(nèi)存的所有權(quán)，也不能通過讀或?qū)憗慝@取控制權(quán)。正確地配置和釋放大量內(nèi)存的機制尚未問世。另外，無論實時進程是否需要，該內(nèi)存都不能為Linux所用。

　　也許存儲器共享笨方法的唯一適用場合是專為特定應(yīng)用而定制的小型嵌入式系統(tǒng)，因為此時可為小型化而放棄使用mbuff驅(qū)動程序。

　　對于中國工程師來說，利用實時Linux開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序是他們面臨的困難之一，本文以RTLinux為例，并結(jié)合最為業(yè)界關(guān)注的是RTAI進行討論，盡管這兩種實現(xiàn)方式在句法細節(jié)上存在差異，但工作方式基本一樣，因此所講述的內(nèi)容對兩者都適用。

　　在實時任務(wù)與用戶進程相互通信的過程中，有些實時應(yīng)用程序無需任何用戶界面即可在后臺平靜地運行，然而，越來越多的實時應(yīng)用程序確實需要一個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)運行。問題是，用戶空間操作是非確定性的，而且與實時操作不兼容。

　　幸運的是實時Linux具有一種可在時間上減弱實時與非實時操作的機制，這種機制表現(xiàn)為一種稱為實時FIFO的驅(qū)動程序。當(dāng)insmod將rtl_fifo.o驅(qū)動程序插入Linux內(nèi)核時，該驅(qū)動程序?qū)⒆约鹤詾镽TLinux的一部分，并成為Linux驅(qū)動程序。一旦插入Linux內(nèi)核，用戶空間進程和實時任務(wù)都可使用實時Linux FIFO。

　　在深入探討實時FIFO的細節(jié)之前，還要回顧一下實時應(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)計方法是將實時部分與固有的非實時功能分離開來（表1）。如果應(yīng)用程序的任一部分，如用戶界面、圖形、數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡(luò)僅需軟實時性能，最好是將該部分寫入用戶空間。然后，僅將必須滿足時序要求的那部分寫成實時任務(wù)。

　　注意，RTLinux（PSC，便攜式信號編碼）和RTAI（LXRT，Linux實時擴展）的最新版本已采用了一種可在用戶空間執(zhí)行軟和硬實時任務(wù)的方法。

　　任何硬實時任務(wù)都是在RTLinux的控制下運行的，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)動程序通信，以采集或輸出模擬和數(shù)字信息。當(dāng)實時任務(wù)需要告訴用戶進程有一個事件將發(fā)生時，它便將這一消息送給實時FIFO。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數(shù)據(jù)：從實時任務(wù)到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個FIFO。任何讀出或?qū)懭雽崟r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。

　　從應(yīng)用程序一側(cè)來看，F(xiàn)IFO就像一個常規(guī)文件。缺省情況下，RTLinux安裝程序?qū)⒃?dev目錄下創(chuàng)建6？個實時FIFO節(jié)點；如果需要，還必須自己創(chuàng)建新的節(jié)點。例如，要創(chuàng)建/dev/rtf80，需采用如下命令：

　　=========================

　　mknod c 150 80；

　　chmod 0666 /dev/rtf80

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

　　從用戶進程的角度看，實時FIFO可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)文件操作。從實時任務(wù)來看，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RTLinux設(shè)備驅(qū)動程序，并使用open（）、close（）、read（）和write（）操作。要想將FIFO作為一個設(shè)備驅(qū)動程序，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進程讀或?qū)慒IFO時，rtl_fifo驅(qū)動程序都要調(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，從該處理程序進行任何內(nèi)核調(diào)用都是安全的。從該處理程序到實時任務(wù)間的最好通信方法是使用旗語或線程同步功能。最后，F(xiàn)IFO驅(qū)動程序還必須對內(nèi)核存儲器進行配置。因此，實時線程內(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。

　　例如，列表1給出了一個采用兩個FIFO的簡單數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的實時部分。兩個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模塊在開發(fā)過程中未被調(diào)用。然后，調(diào)用rtf_create_handler（ID， &pd_do_aout）以注冊帶該實時FIFO的數(shù)據(jù)采集模擬輸出功能pd_do_aout（）。注意，創(chuàng)建實時線程pp_thread_ep（）是因為它是周期性的，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進程打開/dev/rtf2，從實時FIFO中讀取并顯示所采集的數(shù)據(jù)。該進程還打開/dev/rtf1，將數(shù)據(jù)寫入其它實時FIFO。當(dāng)用戶移動屏幕滑動器以改變模擬輸出電壓時，進程就向該FIFO寫入一個新的值。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)用實際的硬件驅(qū)動程序以設(shè)置模擬輸出的電壓?？梢钥吹?，實時任務(wù)和用戶進程是異步使用FIFO的。

　　任務(wù)間的存儲器共享

　　FIFO為用戶進程和實時任務(wù)的連接提供了一種方便的機制，但將它們作為消息隊列更合適。比如，一個實時線程可利用FIFO記錄測試結(jié)果，然后用戶進程就可讀取該結(jié)果，并將之存入數(shù)據(jù)庫文件。

　　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并沒有為這些空間的數(shù)據(jù)共享提供任何機制，但v. 2.4.0版本預(yù)計會包括kiobuf結(jié)構(gòu)。為解決現(xiàn)有穩(wěn)定內(nèi)核的這個缺點，RTLinux包括mbuff驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序可利用vmalloc（）分配虛擬內(nèi)核存儲器的已命名存儲器區(qū)域，它采用的存儲器分配和頁面鎖定技巧跟大多數(shù)Linux中bttv幀抓取器（frame-grabber）驅(qū)動程序所用的一樣。

　　更具體地說，mbuff一頁一頁地將虛擬內(nèi)存鎖定到實際的物理內(nèi)存頁面。任何實時或內(nèi)核任務(wù)，或用戶進程在任何時間都可訪問該存儲器。通過將虛擬內(nèi)存頁面鎖定到物理內(nèi)存頁面，mbuff可確保所分配的頁面永久駐留在物理內(nèi)存，而且不會發(fā)生頁面錯誤。換言之，當(dāng)實時或內(nèi)核進程訪問所分配的存儲器時，它可確保VMM不被調(diào)用。注意：由于實時任務(wù)執(zhí)行期間實時Linux凍結(jié)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的執(zhí)行，任何對VMM的調(diào)用都會引起系統(tǒng)暫停。如果它要訪問并不位于物理RAM內(nèi)的虛擬存儲頁面，那么即使正常的Linux內(nèi)核驅(qū)動程序也會引起系統(tǒng)故障。

　　由于mbuff是一種Linux驅(qū)動程序，其功能可通過設(shè)備節(jié)點/dev/mbuff實現(xiàn)。該節(jié)點可顯示幾個錄入點，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ioctl（）來控制。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)用提供一個包裹，而且僅僅調(diào)用兩個簡單的功能即可配置和釋放共享的存儲緩沖器。

　　當(dāng)然，不能從實時任務(wù)調(diào)用mbuff驅(qū)動程序，因為該驅(qū)動程序所調(diào)用的虛擬存儲器分配功能本身是不確定性操作。分配共享存儲器所需的時間依賴于主系統(tǒng)的存儲器容量以及CPU速度、磁盤驅(qū)動器性能和存儲器分配的現(xiàn)有狀態(tài)。因此，只能從模塊的Linux內(nèi)核一側(cè)來分配共享存儲器，比如從init_module（）或一個ioctl（）請求開始。

　　那么，一個共享緩沖器到底能分配多少存儲器呢？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Linux保留8MB存儲空間。為了獲得優(yōu)化的配置，可在限制存儲器大小的同時測量實時應(yīng)用程序的性能，以確定需要多少存儲空間。

　　列表2給出了如何從實時任務(wù)和用戶進程方面訪問共享的存儲器。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）可將符號名buf_name分配給一個緩沖器，而mbuff_free（“buf_name”， mbuf）可將之釋放。

　　當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用帶有符號緩沖器名的mbuff_alloc（）時，mbuff執(zhí)行實際的存儲器分配。而當(dāng)從內(nèi)核模塊或用戶進程再次調(diào)用該功能時，它只是簡單地增加使用數(shù)（usage count）及將指針返回現(xiàn)有的緩沖器。每次調(diào)用mbuff_free（）都會減少使用數(shù)，直至為零，這時mbuff就去分配帶符號名的緩沖器。這種方法從多個內(nèi)核模塊和用戶進程獲得一個指向同一共享緩沖器的指針，從而解決了問題。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。請注意，是實時內(nèi)核還是用戶進程執(zhí)行實際的buf1配置依賴于誰先獲得控制權(quán)。

　　還有一個“笨”方法可在實時應(yīng)用程序、內(nèi)核模塊和用戶應(yīng)用程序間共享存儲器。對于嵌入式應(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lilo.conf文件（列表3）。當(dāng)啟動帶有Linux內(nèi)核和RTLinux 2.3的系統(tǒng)時，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下運行的各種任務(wù)共享。要想從用戶進程獲取存儲器地址并訪問預(yù)留的存儲器，必須用O_RDWR訪問模式來打開/dev/mem驅(qū)動程序，然后利用mmap（）保留存儲器（列表4）。而從實時模塊或內(nèi)核驅(qū)動程序一側(cè)進行，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。既不能通過預(yù)留內(nèi)存的所有權(quán)，也不能通過讀或?qū)憗慝@取控制權(quán)。正確地配置和釋放大量內(nèi)存的機制尚未問世。另外，無論實時進程是否需要，該內(nèi)存都不能為Linux所用。

　　也許存儲器共享笨方法的唯一適用場合是專為特定應(yīng)用而定制的小型嵌入式系統(tǒng)，因為此時可為小型化而放棄使用mbuff驅(qū)動程序。

　　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)點在于可無限制地使用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5可獲得更多有關(guān)Linux環(huán)境下中斷處理的細節(jié)）。

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

　　列表5給出了安裝實時中斷處理程序的過程。RTLinux在執(zhí)行實時中斷處理程序時將禁止IRQ。應(yīng)注意，該代碼須在退出實時中斷處理程序前調(diào)用rtl_hard_enable_irq（）才能重新使能中斷。

　　有兩個問題影響直接從實時中斷處理程序調(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)行浮點操作。利用實時中斷處理程序來控制線程執(zhí)行是避免出現(xiàn)這些問題的好辦法。本例采用pthread_wakeup_np（）功能來喚醒一個實時線程。中斷處理程序可處理即時的工作，余下的由該線程解決。

　　SMP結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

　　實時Linux都支持多處理器架構(gòu)。對稱多處理器（SMP）結(jié)構(gòu)采用了高級可編程中斷控制器（APIC），奔騰級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，可收集來自外設(shè)的中斷請求，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可解決這些問題。通過為每個設(shè)備請求設(shè)置一個特定的IRQ，系統(tǒng)可減少中斷延遲，APIC還可加速同步代碼。

　　實時Linux可充分利用APIC。在SMP系統(tǒng)中，實時調(diào)度程序利用APIC，而不是采用過時的8254芯片來完成時序分配。由于PC的兼容性，8254位于每一個ISA總線上，而且每一個再編程設(shè)備的調(diào)用都要占用處理器周期。一個千兆赫CPU要浪費數(shù)百個處理器周期來等待8MHz定時器（大約2.5μs）。APIC工作在總線頻率，而且可立即執(zhí)行所有的定時器操作，這意味著必須利用本地APIC時鐘在AMP機器上獲取更高的周期性頻率（雙P-III-500 CPU可在100kHz運行周期性實時線程，而無明顯的性能損失）。

　　實時Linux能很好地執(zhí)行多處理任務(wù)，它為每個CPU實施單獨的進程。調(diào)用pthread_create（）可創(chuàng)建一個在現(xiàn)有CPU上運行的線程。還可用pthread_attr_setcpu_np（）將該線程分配給一個特定的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平臺上的一個CPU，專供RTLinux使用。它可運行于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，請留意“pset”方案（http://isunix.it.ilstu.edu/thockin/pset/）。利用該內(nèi)核可將一個SMP處理器專門分配給一個用戶應(yīng)用程序，甚至可從Linux處理器組中調(diào)用一個處理器專用于實時任務(wù)。

　　同步基元

　　早期的實時Linux沒有同步基元。現(xiàn)在，POSIX型的旗語、互斥和信號在最新的實時Linux版本中都已出現(xiàn)。雖然在實時設(shè)計中采用這些同步基元還存在問題，但同步或用信號表示實時任務(wù)和用戶應(yīng)用程序很有意義，然而，這要求軟件開發(fā)者具有高超的技能，這一問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)旗語的很好起點。

　　實時Linux發(fā)展方向

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

　　列表1：實時FIFO的使用。

　　#define IN_FIFO_ID 1

　　#define OUT_FIFO_ID 2

　　#define IN_FIFO_LENGTH 0x100

　　#define OUT_FIFO_LENGTH 0x100

　　// RT FIFO invokes this function every time the user process writes

　　// something into /dev/rtf1

　　int pd_do_aout（unsigned int fifo）

　　{

　　u32 ao_value;

　　while （（err = rtf_get（IN_FIFO_ID， &ao_value， sizeof（u32）））

　　== sizeof（u32））

　　{

　　pd_aout_write（board， ao_value）;

　　}

　　if （err ！= 0） return -EINVAL; else return 0;

　　}

　　void *pp_thread_ep（void *rate） // our periodic thread

　　{

　　u16 ain_data;

　　。..

　　ret = pd_ain_read（board， &ain_data）; // read value from analog in

　　// write to the output FIFO where user process can read it from /dev/rtf2

　　ret = rtf_put（OUT_FIFO_ID， &ain_data， sizeof（u16））;

　　。.. process ret for return codes 。..

　　}

　　init_module（void）

　　{ 。..

　　// free up the resource， just in case

　　rtf_destroy（IN_FIFO_ID）;

　　rtf_destroy（OUT_FIFO_ID）;

　　// create fifos we can talk via /dev/rtf1 and /dev/rtf2

　　rtf_create（IN_FIFO_ID， IN_FIFO_LENGTH）; // rt task 《- user process

　　rtf_create（OUT_FIFO_ID， OUT_FIFO_LENGTH）; // rt task -》 user process

　　rtf_create_handler（IN_FIFO_ID， &pd_do_aout）;

　　。..

　　}

　　cleanup_module（void）

　　{ 。..

　　rtf_destroy（IN_FIFO_ID）; // free up the resource， just in case

　　rtf_destroy（OUT_FIFO_ID）; // free up the resource， just in case

　　。..

　　}

　　列表2：利用mbuff共享存儲器。

　　// user application

　　#include “mbuff.h”

　　。..

　　u16* buf1; // pointer to the buffer to store 16-bit samples

　　main （int argc，char *argv［］）

　　{

　　。..

　　buf1 = （u16*） mbuff_alloc（“buf1”，0x100000）;

　　if （buf1 == NULL） { // failure to allocate buffer }

　　sprintf（（char*）buf1， “Hello， rt-task！n”）; // put some data into buffer

　　// now you can tell your realtime module to that you wrote

　　// something to the buffer， say， using RT FIFO

　　。..

　　mbuff_free（“buf1”， （void*）buf1）; // free buffer when you don‘t need it

　　}

　　// realtime module

　　#include “mbuff.h”

　　。..

　　u16* buf1; // pointer to the buffer to store 16-bit samples

　　init_module（void） // allocate shared buffer during init of realtime module

　　{

　　// allocate 1MB buffer named “buf1”

　　buf1 = （u16*） mbuff_alloc（“buf1”， 0x100000）;

　　if （buf1 == NULL） { failure to allocate buffer }

　　。..

　　}

　　cleanup_module（void） // deallocate buffer during cleanup of realtime module

　　{ mbuff_free（“buf1”， buf1）; // free it

　　。..

　　}

　　列表3：設(shè)定可在lilo.conf文件中使用的存儲器內(nèi)核數(shù)量。

　　。..

　　image=/boot/vmlinuz_2_2_14.rtl_2_3

　　append=“mem=120m”

　　root=/dev/hda2

　　label=RTL.2.3

　　。..

　　列表4：設(shè)置并采用笨方法共享內(nèi)存。

　　// User space code：

　　if （fd = open（“/dev/mem”， O_RDWR）） 《 0） { 。..oops！ error }

　　rtshm_ptr = （char * ） mmap （0， 0x100000， PROT_READ | PROT_WRITE， MAP_SHARED，

　　fd， 0x7F00000）;

　　if （rtshm_ptr == MAP_FAILED） { 。..oops！ error }

　　else { 。..use it }

　　// and in your real-time module：

　　rtshmbase = （long*） ioremap（0x7f00000， 0x100000）;

　　列表5：獲得中斷向量。

　　// thread used as deferred procedure call created in init_module

　　void *pp_thread_ep（void* arg）

　　{

　　while （1）

　　{

　　pthread_wait_np（）; // wait to be woken up.。.

　　// process interrupt now in realtime kernel context

　　。..

　　}

　　}

　　// interrupt handler

　　unsigned int irq_handler（unsigned int irq， struct pt_regs *regs）

　　{

　　pthread_wakeup_np（pp_thread）; // wake up thread to do IRQ post-processing

　　rtl_hard_enable_irq（IRQ_LINE）; // re-enable IRQ

　　return 0;

　　}

　　int init_module（void）

　　{

　　// create thread pp_thread to wake up by interrupt handler

　　。..

　　rtl_request_irq（IRQ_LINE， irq_handler）; // request.。.

　　rtl_hard_enable_irq（IRQ_LINE）; // 。..and enable interrupt handler

　　}

　　void cleanup_module（void）

　　{

　　rtl_free_irq（IRQ_LINE）;

　　// do the rest of clean=up sequence

　　}