uClinux操作系統(tǒng)的實時化分析與研究
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1.引言
嵌入式Linux作為一個開放源代碼的操作系統(tǒng)，以價格低廉、功能強大又易于移植的特性正在被廣泛應用，μClinux是專門針對沒有 MMU（Memory Manage Unit）的處理器而設計的嵌入式Linux，非常適合中低端嵌入式系統(tǒng)的需求。μClinux雖然符合POSIX1003.1B關(guān)于實時擴展部分的標準，但其最初的設計目標為通用分時操作系統(tǒng)，如果把μClinux用在工業(yè)控制、進程控制等微控制領(lǐng)域內(nèi)，必須要增強μClinux的實時性能。
目前，對嵌入式Linux的實時化改造方案主要有3種：一種是直接修改內(nèi)核插入搶占點[3]，另外一種是資源內(nèi)核方法[4]，最后一種是雙內(nèi)核架構(gòu)的解決方案。但3種方法中前兩種都只能用于軟實時應用，只有雙內(nèi)核[2]架構(gòu)的方案可以保障硬實時應用需求。目前，Linux平臺下開發(fā)的具有硬實時功能的系統(tǒng)主要有：RTLinux和RTAI[1]（Real Time Application Interface）。基于RTAI增強Linux的實時性方面研究得比較多，但是，基于RTAI增強μClinux實時性方面還未見到成型的產(chǎn)品。因此，本文借鑒RTAI對Linux的實時改進機理，對μClinux的實時性改造進行了分析與研究。
2. μClinux的內(nèi)存管理
標準Linux使用虛擬存儲器技術(shù)，應用在帶有MMU的處理器上，虛擬地址被送到MMU，把虛擬地址映射為物理地址。而μClinux同標準Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理，只有了解它們內(nèi)存管理的差異后，才能更好地利用RTAI對μClinux進行實時化改造。
μClinux雖然為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作[5]，但μClinux與標準Linux的架構(gòu)完全一致。μClinux雖然無法使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，但μClinux仍然采用存儲器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁，在加載應用程序時分頁加載。一個進程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為進程分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲器的連續(xù)空間中。μClinux采用實存儲器管理策略，通過地址總線對物理內(nèi)存進行直接訪問。所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址，操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護，所有的進程都在一個運行空間中運行（包括內(nèi)核進程）。
在μClinux系統(tǒng)中，缺少了MMU的內(nèi)存映射，μClinux必須在可執(zhí)行文件加載階段對可執(zhí)行文件reloc處理，使得程序執(zhí)行時能夠直接使用物理內(nèi)存；其次，μClinux沒有自動生長的堆棧，也沒有brk()函數(shù)，用戶空間的程序必須使用mmap()命令來分配內(nèi)存；同時，在實現(xiàn)多個進程時需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護，μClinux雖然支持fork()函數(shù)，但實質(zhì)是所有的多進程管理都通過vfork()函數(shù)來實現(xiàn)。vfork() 是μClinux與標準Linux應用程序的開發(fā)中最重要的不同之處，只有對vfork()與fork()兩個函數(shù)的差異和程序處理機制有詳細的了解后，才能順利地完成從Linux到μClinux的程序移植。
3. 基于RTAI的Linux硬實時支持方案
3.1 RTAI簡介
RTAI for Linux[6]是雙內(nèi)核架構(gòu)的Linux實時化方案的典型代表，它由意大利的Milan大學主持，是近年來非常活躍的開源項目。系統(tǒng)的實現(xiàn)基礎(chǔ)是在Linux上定義了一組實時硬件抽象層RTHAL（Real Time Hardware Abstraction Layer），通過RTHAL進行硬件管理，把基本內(nèi)核和實時內(nèi)核結(jié)合在一起，其中一個內(nèi)核的改變，不會影響另一個內(nèi)核的執(zhí)行，RTHAL將RTAI需要在Linux中修改的部分定義成一組程序界面，RTAI只使用這組界面和Linux溝通，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3.2 RTAI的RTHAL
RTAI從內(nèi)核中提取一個RTHAL，RTAI首先是一個中斷分發(fā)器，當RTAI模塊被加載后，CPU中斷仍由Linux管理，RTAI只接管外部設備的中斷并分發(fā)（有可能仍分發(fā)給Linux）。這種接管是通過RTHAL來實現(xiàn)的，RTHAL包含一些重要的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，RTAI模塊可能修改的內(nèi)容都收集在此結(jié)構(gòu)體中。
圖1雙內(nèi)核實時μClinux架構(gòu) |
當RTAI裝載時，只需要重新設置RTHAL中的各項內(nèi)容。內(nèi)核需要修改執(zhí)行RTHAL以代替原來的內(nèi)容，如
do_IRQ(irq,dummy)；
被修改為：
rthal.c_do_IRQ(irq,dummy)；
Linux初始化RTHAL為指向原始的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，RTHAL僅僅進行重定向。當RTAI被激活，RTHAL保存并且改變這些函數(shù)的值為 RTAI自己的內(nèi)容。以上段代碼為例，當RTAI還沒有加載時，rthal.c_do_IRQ的值就是Linux的do_IRQ，當RTAI被加載時，RTAI執(zhí)行以下代碼，將rthal.c_do_IRQ替換成RTAI自己的分發(fā)器：
rthal.c_do_IRQ=dispatch_irq；
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