RTlinux的介紹

1.RTLinux

RTLinux是由美國新墨西哥州的fsmlabs(finite STate machine labs, 有限狀態機實驗室)公司開發的、利用linux開發的面向實時和嵌入式應用的操作系統。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已經成功地應用于航天飛機的空間數據采集、科學儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領域，在電信、工業自動化和航空航天等實時領域也有成熟應用。隨著信息技術的飛速發展，實時系統已經滲透到日常生活的各個層面，包括傳統的數控領域、軍事、制造業和通信業，甚至連潛力巨大的信息家電、媒體廣播系統和數字影像設備都對實時性提出了愈來愈高的要求。

RT-Linux開發者并沒有針對實時操作系統的特性而重寫Linux的內核，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的內核代碼做一些修改，將linux本身的任務以及linux內核本身作為一個優先級很低的任務，而實時任務作為優先級最高的任務。即在實時任務存在的情況下運行實時任務，否則才運行linux本身的任務。TRLinux能夠創建精確運行的符合POSIX.1b標準的實時進程;并且作為一種遵循GPL v2協議的開放軟件，可以達GPL v2協議許可范圍內自由地、免費地使用、修改和再發生。

它是Linux在實時性方面的擴展，采用已獲得專利的雙核技術:一個微型的RTLinux內核把原始的Linux內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核層面上DD實時的RTLinux內核和常用的，非實時的Linux內核DD運行不同程序的新方式。原始的Linux內核通過RTLinux內核訪問硬件。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開發的完全商業版本的實時linux。RTLinux/Free是一個由社區開發的開源版本。

2.標準Linux影響實時性的機制

現有的Linux是一個通用的操作系統，雖然它采用了許多技術來提高系統的運行和反應速度，但它本質上不是一個實時操作系統，應用于嵌入式環境中還存在諸多的不足。具體表現如下：

1.關中斷問題

在系統調用中，為了保護臨界區資源，Linux處于內核臨界區時，中斷會被系統屏蔽，這就意味著如果當前進程正處于臨界區，即使它的優先級較低，也會延遲高優先級的中斷請求。在實時應用中，這是一個十分嚴重的問題。

2.進程調度問題

Linux采用標準的UNIX技術使得內核是不可搶占的。采用基于固定時間片的可變優先級調度，不論進程的優先級多么低，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先級進程，它也必須等待低優先級進程的時間片用完，這對一些要求高優先級進程立即搶占CPU的實時應用是不能滿足要求的。

3.時鐘問題

Linux為了提高系統的平均吞吐率，將時鐘中斷的最小間隔設置為10ms，這對于一個周期性的實時任務，間隔要求小于10ms時，就不能滿足實時任務的需要。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,系統的大部分時間是調用進程調度程序進行進程調度而不能進行正常的處理。

3.RTLinux的特點

在Linux 操作系統中，調度算法(其于最大吞吐量準則)、設備驅動、不可中斷的系統調用、中斷屏蔽以及虛擬內存的使用等因素，都會導致系統在時間上的不可預測性，決定了Linux操作系統不能處理硬實時任務。RTLinux為避免這些問題，在Linux內核與硬件之間增加了一個虛擬層(通常稱作虛擬機)，構筑了一個小的、時間上可預測的、與Linux內核分開的實時內核，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雜任務。

4.RTLinux的實現機理

RT-Linux對Linux內核進行改造，將Linux內核工作環境做了一些變化，如圖1所示：

圖1 RTLinux對Linux內核改變

RTLinux有兩種中斷：硬中斷和軟中斷。軟中斷是常規Linux內核中斷。它的優點在于可無限制地使用Linux內核調用。硬中斷是安裝實時Linux的前提。依賴于不同的系統，實時Linux下硬中斷的延遲是15μs。

它在Linux內核的下層實現了一個簡單的實時內核,而Linux本身作為這個實時內核的優先級最低的任務,所有的實時任務的優先級都高于Linux系統本身的以及Linux系統下的一般任務。RTLinux的體系結構如圖2所示。

圖2 RTLinux的體系結構

RTLinux的設計思想是:應用硬件的實時約束將實時程序分割成短小簡單的部分,較大部分承擔較復雜的任務。根據這一原則,將應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:

硬件實時部分被作為實時任務來執行,并從外部設備拷貝數據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準Linux進程來執行。它將從RTFIFO中讀取數據,然后顯示并存儲到文件中,實時部分將被寫入內核。設計實時有名管道是為了使實時任務在讀和寫數據時不被阻塞。圖3所示的是RTFIFO結構圖。

圖3 RT-FIFO結構圖

RTLinux將標準Linux內核作為簡單實時操作系統(RTOS)(或叫子內核)里優先權最低的線程來運行，從而避開了Linux內核性能的問題。 從圖3可以看出，RTLinux擁有兩個內核。這就意味著有兩組單獨的API，一個用于Linux環境，另一個用于實時環境。此外，為保證實時進程與非實時Linux進程不順序進行數據交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊列。RT-FIFO被Linux視為字符設備，最多可達150個，分別命名為/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最大的RT-FIFO數量在系統內核編譯時設定。