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。由于工作的特殊性，很多嵌入式設備要求系統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，使系統具有可預測性，而通用的桌面操作系統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（Real-TIme OperATIng System,RTOS）。

實時操作系統（RTOS）是指當外界事件或數據產生時，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定的時間之內來控制生產過程或對處理系統作出快速響應，并控制所有實時任務協調一致運行的操作系統。因而，提供及時響應和高可靠性是其主要特點。實時操作系統有硬實時和軟實時之分，硬實時要求在規定的時間內必須完成操作，這是在操作系統設計時保證的；軟實時則只要按照任務的優先級，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統在經過一定改變之后就可以變成實時操作系統。

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

在嵌入式系統領域，實時系統的核心是實時操作系統。目前已有很多商業實時操作系統，著名的有WindRiver公司的VxWorks,其他的有QNX、pSOS+等。它們的優點是具有非常好的穩定性、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秘密而不公開。

嵌入式實時系統的特點

一、時間約束性實時系統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破壞，如在航空航天、軍事、核工業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運行及環境不會造成嚴重影響，如監控系統等和信息采集系統等。

二、可預測性可預測性是指系統能夠對實時任務的執行時間進行判斷，確定是否能夠滿足任務的時限要求。由于實時系統對時間約束要求的嚴格性，使可預測性稱為實時系統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；以及操作系統的可預測性，即實時原語、調度函數等運行開銷應是有界的，以保證應用程序執行時間的有界性。

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，由于設計要求的針對性，導致了Linux無法提供硬實時環境，直接影響了它的硬實時性能。這主要表現在兩方面：

（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，就會出現高優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先級進程所占用的現象。

（2）時鐘粒度粗糙

在Linux 2.6版本內核中，時鐘中斷發生的頻率范圍為50~1 200Hz,周期不小于0.8 ms,而工業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實時性較好，但是工作量大，并且可能會造成系統不穩定。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），系統所有的硬件中斷由這個抽象層控制。新創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

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。它可以提供工業級RTOS的性能，而且完全遵守GNU/Linux自由軟件協議。目前最新穩定版本是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構架來實現的。