硬實時操作系統-RTLinux

摘要：介紹了RTLinux的兩個重點特點：硬實時性和完備性，及其在嵌入式系統應用中的一些重要功能，并結合實時處理的具體實例對其編程方法加以說明。

關鍵詞：操作系統 實時處理 Linux 嵌入式系統

近年來，基于PC的嵌入式系統得到迅速的發展。在各種不同的操作系統中，由于Linux操作系統的廉價、源代碼的開放性以及系統的穩定性，使其在基于PC的嵌入式系統中的應用日益廣泛。RTLinux(RealTime Linux)[1]是一種基于Linux的實時操作系統，是由FSMLabs公司（Finite State Machine Labs Inc.）推出的與Linux操作系統共存的硬實時操作系統。它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。本文介紹了RTLinux的特點及功能，并結合一個實時處理的具體實例對其編程方法加以說明。

1 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。

1.1 硬實時性

RTLinux將Linux源碼中所有的cli、sti、iret指令分別用宏S_CLI、S_STI、S_IRET替換，引入虛擬層將截取所有的硬件中斷，分割Linux系統與硬件中斷之間的直接聯系。當RTLinux虛擬層接收到與實時處理有關的硬件中斷時，立即啟動執行相應的實時中斷服務程序；而接收到與實時處理無關的中斷時，先保存相應的信息，等到RTLinux內核空閑時通過軟中斷傳遞給Linux內核去處理，這樣就使得RTLinux內核不受各種軟、硬件中斷的影響，不會造成時間上的不可預測性。同時又區別于其他實時處理方案，它并未對操作系統的內核作結構性的修改，因此并不會妨礙Linux操作系統的進一步發展和變化。

Linux采用基于最大吞吐量準則的調度策略，并不能確保各個實時進程的及時調度。而RTLinux在缺省情況下采用優先級的調度策略，即系統調度器根據各個實時任務的優先級來確定執行的先后次序。優先級高的先執行，優先級低的后執行，這樣就保證了實時進程的迅速調度。同時RTLinux也支持其它的調度策略，如最短時限最先調度（EDP）、確定周期調度（RM）（周期短的實時任務具有高的優先級）。RTLinux將任務調度器本身設計成一個可裝載的內核模塊，用戶可以根據自己的實際需要，編寫適合自己的調度算法。

操作系統精確的定時機制，可以提高任務調度器的效率，但增加CPU處理定時中斷的時間開銷。RTLinux采用一種折衷的方案，不將8354定時器設計成10毫秒產生一次定時中斷的固定模式，而是根據最近事件（進程）的時間需要，不斷調整定時器的定時間隔。這樣既可以提供高精度的時間值，又避免過多增加CPU處理定時中斷的時間開銷。RTLinux系統同時將各時間間隔相加，保持一個系統全局時間變量，并使用軟中斷的方式來模擬傳統的100Hz定時中斷，將其傳遞給Linux系統使用。

1.2 完備性

過去，實時操作系統僅是一組原始的、簡單的可執行程序，它所做的僅僅是向應用程序提供一程序庫，但如今，實時應用程序通常要求能夠支持TCP/IP、圖形顯示、文件和數據庫系統及其它復雜的服務。為了滿足當今實時應用程序的多種需求，通常采用在實時控制內核上增加這些服務或完全修改標準操作系統內核的方法，而RTLinux所采用的是一種新型高效的方式。將一個簡單的小型實時內核與Linux內核共存，用簡單的小型實時內核處理實時任務，將非實時任務交給Linux內核去處理，而Linux內核本身也作為一個RTLinux實時內核在空閑時運行的進程。這種將實時系統和平均時間優化的標準Linux操作系統協同工作的方式，使得許多實時應用都顯示出一種增效。實時內核中的實時任務可以直接訪問硬件，不使用虛擬內存，給實時進程提供了很大的靈活性；運行在Linux用戶空間中的非實時任務，可以方便地使用系統提供的各種資源（網絡、文件系統等），并受到系統的保護，增加了系統的安全性。

2 RTLinux的主要功能

RTLinux提供了一整套對硬實時進程的支持函數集。在此，僅對在嵌入式系統中最重要的三個方面：進程間的通訊、中斷和硬件設備的訪問以及線程間的同步加以闡述。

2.1 進程間的通信（IPC）

RTLinux要求將應用程序分成實時部分和非實時部分。應用程序的實時部分應該是簡單的和輕負荷的，在RTLinux的實時內核中完成；而非實時部分，在Linux的用戶空間完成。因此RTLinux提過了多種內核實時進程和Linux用戶空間進程間的通訊機制，最重要的是實時FIFO和共享內存。

實時FIFO是能夠被內核實時進程和Linux用戶空間進程訪問的快進快出隊列，是一種單向的通訊機制，可以通過兩路實時FIFO構成雙向的數據交換方式。在使用實時FIFO前先要對實時FIFO通道初始化：

#includertl_fifo.h>

int rtf_create(unsigned int fifo,int size)

使用后應該注銷實時FIFO通道：

int rtf_destroy(unsigned int fifo)

在初始化實時FIFO通道后，RTLinux內核的實時進程和Linux用戶空間的進程都可以使用標準的POSIX函數open、read、write和close等對實時FIFO通道進行訪問。內核實時進程還可以使用RTLinux的專有函數rtf_put和rtf_get對實時FIFO通道進行讀寫。

RTLinux共享內存由mbuff.o模塊支持，可以使用下面的函數分配和釋放共享內存塊：

#include mbuff.h>

void *mbuff_alloc(const char *name,int size)

void mbuff_free(const char *name,void *mbuf)

函數mbuff_alloc有兩個參數，共享內存名name和共享內存塊的大小size。如果指定的內存共享名并不存在，分配成功時返回共享內存指針，訪問計數置為1，分配失敗時返回空指針；如果指定的內存共享名已經存在，返回該塊共享內存的指針，并將訪問計數值直接加1。函數mbuff_free將該塊共享內存的訪問計數值減1，當計數值為0時，該共享內存被釋放。在實時內核模塊中使用該函數時，應該將函數mbuff_alloc和mbuff_free分別放在init_module和cleanup_module模塊之中。

2.2 中斷和訪問硬件

硬中斷（實時中斷）具有最低的延時，在系統內核中只有少數的實時進程使用。函數rtl_request_irq和rtl_free_irq用于安裝和卸載指定硬件中斷的中斷服務程序。

#includertl_core.h>

int rtl_request_irq(unsigned int irq,unsigned int (*handler)(unsigned int ,struct pt_regs *))

int rtl_free_irq(unsigned int irq)

中斷驅動的線程可以使用喚醒和掛起函數：

int pthread_wakeup_np(pthread_t thread)

int pthread_suspend_np(void)

一個中斷驅動的線程可以調用函數pthread_suspend_np(pthread_self())阻塞自身線程的執行，然后由中斷服務函數調用函數pthread_wakeup_np喚醒該線程的換行，直到此線程再次調用函數pthread_suspend_np(pthread_self（）)將自身掛起。

軟中斷是Linux內核常常使用的中斷，它能夠更安全地調用系統函數。無論如何，對于許多任務來說并不能提供硬實時性能，將會導致一定的延時。

Int rtl_get_soft_irq(void (*handler)（int,void*,struetpt_regs ），const char* devname)分配一個虛中斷并安中斷；void rtl_free_soft_irq(unsigned int irq)釋放分配的虛中斷。

RTLinux與Linux一樣通過/dev/mem設備訪問物理內存，具體由模塊rtl_posixio.o提供此項功能。首先應用程序應該打開/dev/mem設備，通過函數mmap對某段物理內存進行映射后，即可使用映射后的地址訪問該段物理內存。應用程序只能在Linux進程中（即在應用程序的init_module()模塊中）調用mmap，在實時進程中調用mmap將會失敗。另一種訪問物理內存的方法是通過Linux將會失敗。另一種訪問物理內存的方法是通過Linux的函數ioremap（2）。RTLinux訪問I/O端口的函數如下（對于x86結構）：

輸出一個字節到端口：

#include asm/io.h>

void outb(unsigned int value,unsigned short port)

void outb_p(unsigned int value,unsigned short port)

輸出一個字到端口：

#includeasm/io.h>

void outw(unsigned int value,unsigned short port)

void outw_p(unsigned int value,unsigned short port)

從端口讀一個字節：

#includeasm/io.h>

char inb(unsigned short port)

char inb_p(unsigned short port)

從端口讀一個字：

#includeasm/io.h>

short inw(unsigned short port)

short inw_p(unsigned short port)

其中帶后綴_p的函數使讀寫端品時有一個小的延時，這在快速的計算機訪問慢速的ISA設備時是必需的。

2.3 線程同步

當多個實時線程需要訪問共享資源時，如果沒有一種同步機制，將破壞共享資源中數據的完整性。RTLinux提供一種簡單的加鎖方法mutex來控制對共享資源的存取，并支持POSIX的pthread_mutex_family函數組[3]。目前有以下函數可以使用：

pthread_mutexattr_getpshared //得到指定屬性線程共享屬性值；

pthread_mutexattr_setpshared //設置指定屬性線程共享屬性值；

pthread_mutexattr_init //初始化mutex的屬性；

pthread_mutexattr_destroy //刪除mutex的屬性；

pthread_mutexattr_settype //設置mutex信號的類型；

pthread_mutexattr_gettype //得到mutex信號的類型；

pthread_mutex_init //按指定的屬性初始化mutex；

pthread_mutex_destroy //刪除給定的mutex；

pthread_mutex_lock //鎖定mutex,如果mutex已被鎖定，阻塞當前線程直到解鎖；

prhread_untex_trylock //鎖定mutex,如果mutex已被鎖定，函數立即返回；

pthread_untex_unlock //解鎖mutex；

互斥信號類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL（default POSIX mutexes）的PTHREAD_MUTEX_SPINLOCK（spinlocks）

3 RTLinux的編程實例分析

下面結合一個具體的程序parport.c[4]，對RTLinux的編程特點加以說明。程序parport.c中的實時線程在并口的2、3腳（并口的數據D0和D1）上周期輸出信號1，而對應硬件中斷7的實時中斷服務程序將在并口的2、3腳輸出信號0。連接并口的2腳和10腳（并口的確認信號線，對應于計算機的中斷7），則可在并口的2、3腳上產生一個方波信號。parport.c源程序如下：

#include rtl.h>

#include rtl_sync.h>

#include time.h>

#include ptrhrad.h>

#include asm/io.h>

#include linux/kd.h>

pthread_t thread;

unsigned int intr_handler(unsigned int irq,struct pt_regs *regs) { //中斷服務函數

outb(0,0x378); //輸出字節0到并口數據線

rtl_hard_enable_irq(7); //使能硬件中斷7

return 0；

}

void * start_routine (void *arg){ //實時線程

struct sched_param p; //定義實時線程控制參數的數據結構

p.sched_priority = 1; //設置優先級為1

pthread_setschedparam (pthread_self(),SCHED_FIFO,p); //設置實時線程的控制參數

pthread_make_periodic_np(pthread_self(),gethrtime(),100000);

//啟動周期為10ns的實時線程

while (1){

pthread_wait_np()； //實時線程掛起

outb(3,0x378); //實時線程周期執行，輸出3到并口數據線

}

return 0；

}

int init_module(void) {//初始化模塊

int status;

rtl_irqstate_t f; //保存當前的中斷狀態標志到變量f，并禁止中斷

status=rtl_request_irq(7,irtr_handler); //設置硬件中斷7的處理程序

rtl_printf(rtl_request_irq:%d,status); //輸出的控制臺

outb_p(inb_p(0x37A) |0x10,0x37A); //使能并口中斷（硬件上）

rtl_hard_enable_irq(7); //使能中斷7（軟件上）

rtl_restore_interrupts(f); //按照變量f恢復當前的中斷狀態標志，并使能中斷

return pthread_create (thread,NULL,start_routine，0)；

//創建實時進程thread

}

void cleanup_module(void){ //清除模塊

rtl_free_irq(7); //禁止中斷7

pthread_delete_np(thread); //刪除實時進程thread

}

程序parport.c的make文件如下：

all：parport.o

include rtl.mk

clean：

rm -f *.0

按照如下命令對程序進行編譯：

make

運行程序對采用以下命令：

modprobe rtl_sched //調入所需的處理模塊

insmod parport.o //調入parport.o模塊

連接并口的2腳和10腳，即可通過示波器在并口的3腳上觀測到輸出的方波信號。

可以看到，RTLinux的實時程序被編寫成可加載的Linux內核模塊，它能被動態地加入內存，不能執行Linux系統調用，模塊的初始化代碼對實時任務的結構作初始化，把實時任務時限、周期和釋放時間等實時參數傳遞給RTLinux。

通過對Linux最小的改動，提供一種可靠且廉價的硬實時操作系統RTLinux。RTLinux開發者可以充分利用Linux提供的各種方便來編寫任務的非實時部分，加速自己的任務進度。目前RTLinux的最新版本為3.1，支持Linux2.4內核，程序源代碼可以通過網站http://www.rtlinux.org/免費下載。