基于Linux的實時操作系統(tǒng)

精品文檔-下載后可編輯基于Linux的實時操作系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)用中的一些重要功能，并結(jié)合實時處理的具體實例對其編程方法加以說明。

近年來，基于PC的嵌入式系統(tǒng)得到迅速的發(fā)展。在各種不同的操作系統(tǒng)中，由于Linux操作系統(tǒng)的廉價、源代碼的開放性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使其在基于PC的嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。RTLinux（RealTimeLinux）[1]是一種基于Linux的實時操作系統(tǒng)，是由FSMLabs公司（FiniteStateMachineLabsInc.）推出的與Linux操作系統(tǒng)共存的硬實時操作系統(tǒng)。它能夠創(chuàng)建運(yùn)行的符合POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)的實時進(jìn)程；并且作為一種遵循GPLv2協(xié)議的開放軟件，可以達(dá)GPLv2協(xié)議許可范圍內(nèi)自由地、地使用、修改和再發(fā)生。本文介紹了RTLinux的特點及功能，并結(jié)合一個實時處理的具體實例對其編程方法加以說明。

1RTLinux的特點

RTLinux（AReal-TimeLinux,亦稱作實時Linux）是Linux中的一種實時操作系統(tǒng)。它由新墨西哥礦業(yè)及科技學(xué)院的V.Yodaiken開發(fā)。目前，RTLinux有一個由社區(qū)支持的版本，稱為RTLinuxFree，以及一個來自FSMLabs的商業(yè)版本，稱作RTLinuxPro。

RT-Linux開發(fā)者并沒有針對實時操作系統(tǒng)的特性而重寫Linux的內(nèi)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(nèi)核代碼做一些修改，將linux本身的任務(wù)以及l(fā)inux內(nèi)核本身作為一個優(yōu)先級很低的任務(wù)，而實時任務(wù)作為優(yōu)先級的任務(wù)。即在實時任務(wù)存在的情況下運(yùn)行實時任務(wù)，否則才運(yùn)行l(wèi)inux本身的任務(wù)。TRLinux能夠創(chuàng)建運(yùn)行的符合POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)的實時進(jìn)程；并且作為一種遵循GPLv2協(xié)議的開放軟件，可以達(dá)GPLv2協(xié)議許可范圍內(nèi)自由地、地使用、修改和再發(fā)生。

它是Linux在實時性方面的擴(kuò)展，采用已獲得的雙核技術(shù)：一個微型的RTLinux內(nèi)核把原始的Linux內(nèi)核作為它在空閑時的一個線程來運(yùn)行。這開啟了在兩個不同的內(nèi)核層面上――實時的RTLinux內(nèi)核和常用的，非實時的Linux內(nèi)核――運(yùn)行不同程序的新方式。原始的Linux內(nèi)核通過RTLinux內(nèi)核訪問硬件。這樣，所有硬件實際上都是由RTLinux來進(jìn)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(fā)的完全商業(yè)版本的實時linux。RTLinux/Free是一個由社區(qū)開發(fā)的開源版本。

在Linux操作系統(tǒng)中，調(diào)度算法（其于吞吐量準(zhǔn)則）、設(shè)備驅(qū)動、不可中斷的系統(tǒng)調(diào)用、中斷屏蔽以及虛擬內(nèi)存的使用等因素，都會導(dǎo)致系統(tǒng)在時間上的不可預(yù)測性，決定了Linux操作系統(tǒng)不能處理硬實時任務(wù)。RTLinux為避免這些問題，在Linux內(nèi)核與硬件之間增加了一個虛擬層（通常稱作虛擬機(jī)），構(gòu)筑了一個小的、時間上可預(yù)測的、與Linux內(nèi)核分開的實時內(nèi)核，使得在其中運(yùn)行的實時進(jìn)程滿足硬實時性。

1.1硬實時性

硬件實時部分被作為實時任務(wù)來執(zhí)行，并從外部設(shè)備拷貝數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)Linux進(jìn)程來執(zhí)行。它將從RTFIFO中讀取數(shù)據(jù)，然后顯示并存儲到文件中，實時部分將被寫入內(nèi)核。設(shè)計實時有名管道是為了使實時任務(wù)在讀和寫數(shù)據(jù)時不被阻塞。圖3所示的是RTFIFO結(jié)構(gòu)圖。圖3RT-FIFO結(jié)構(gòu)圖

RTLinux將標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核作為簡單實時操作系統(tǒng)（RTOS）（或叫子內(nèi)核）里優(yōu)先權(quán)的線程來運(yùn)行，從而避開了Linux內(nèi)核性能的問題。從圖3可以看出，RTLinux擁有兩個內(nèi)核。這就意味著有兩組單獨(dú)的API，一個用于Linux環(huán)境，另一個用于實時環(huán)境。此外，為保證實時進(jìn)程與非實時Linux進(jìn)程不順序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊列。RT-FIFO被Linux視為字符設(shè)備，多可達(dá)150個，分別命名為/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。的RT-FIFO數(shù)量在系統(tǒng)內(nèi)核編譯時設(shè)定。

RTLinux程序運(yùn)行于用戶空間和內(nèi)核態(tài)兩個空間。RTLinux提供了應(yīng)用程序接口。借助這些API函數(shù)將實時處理部分編寫成內(nèi)核模塊，并裝載到RTLinux內(nèi)核中，運(yùn)行于RTLinux的內(nèi)核態(tài)。非實時部分的應(yīng)用程序則在Linux下的用戶空間中執(zhí)行。這樣可以發(fā)揮Linux對網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的強(qiáng)大支持功能。

操作系統(tǒng)的定時機(jī)制，可以提高任務(wù)調(diào)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(shè)計成10毫秒產(chǎn)生定時中斷的固定模式，而是根據(jù)近事件（進(jìn)程）的時間需要，不斷調(diào)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(tǒng)同時將各時間間隔相加，保持一個系統(tǒng)全局時間變量，并使用軟中斷的方式來模擬傳統(tǒng)的100Hz定時中斷，將其傳遞給Linux系統(tǒng)使用。

1.2完備性

過去，實時操作系統(tǒng)僅是一組原始的、簡單的可執(zhí)行程序，它所做的僅僅是向應(yīng)用程序提供一程序庫，但如今，實時應(yīng)用程序通常要求能夠支持TCP/IP、圖形顯示、文件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其它復(fù)雜的服務(wù)。將一個簡單的小型實時內(nèi)核與Linux內(nèi)核共存，用簡單的小型實時內(nèi)核處理實時任務(wù)，將非實時任務(wù)交給Linux內(nèi)核去處理，而Linux內(nèi)核本身也作為一個RTLinux實時內(nèi)核在空閑時運(yùn)行的進(jìn)程。實時內(nèi)核中的實時任務(wù)可以直接訪問硬件，不使用虛擬內(nèi)存，給實時進(jìn)程提供了很大的靈活性；運(yùn)行在Linux用戶空間中的非實時任務(wù)，可以方便地使用系統(tǒng)提供的各種資源（網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)等），并受到系統(tǒng)的保護(hù)，增加了系統(tǒng)的安全性。

2RTLinux的主要功能

RTLinux提供了一整套對硬實時進(jìn)程的支持函數(shù)集。在此，僅對在嵌入式系統(tǒng)中重要的三個方面：進(jìn)程間的通訊、中斷和硬件設(shè)備的訪問以及線程間的同步加以闡述。

在中斷控制硬件與LINUX之間放置一個軟件仿真層。具體做法是，在LINUX源碼中出現(xiàn)cli、sti和iret的所有地方都用仿真宏：S_CLI、S_STI和S_IRET來替換。所有的硬件中斷就都被仿真器所截獲。

當(dāng)需要關(guān)中斷時，就將仿真器中的一個變量置0。不論何時若有中斷發(fā)生，仿真器就檢查這個變量。如果是1（LINUX已開中斷），就立即調(diào)用LINUX的中斷處理程序；否則，LINUX中斷被禁止，中斷處理程序不會被調(diào)用，而是在保存著所有掛起中斷的信息的變量的相應(yīng)位置1。當(dāng)LINUX重新開中斷，所有掛起中斷的處理程序都會被執(zhí)行。這種仿真方式可以稱之為"軟中斷"。

2.1進(jìn)程間的通信（IPC）

實時FIFO是能夠被內(nèi)核實時進(jìn)程和Linux用戶空間進(jìn)程訪問的快進(jìn)快出隊列，是一種單向的通訊機(jī)制，可以通過兩路實時FIFO構(gòu)成雙向的數(shù)據(jù)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

intrtf_create（unsignedintfifo,intsize）

使用后應(yīng)該注銷實時FIFO通道：

intrtf_destroy（unsignedintfifo）

在初始化實時FIFO通道后，RTLinux內(nèi)核的實時進(jìn)程和Linux用戶空間的進(jìn)程都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的POSIX函數(shù)open、read、write和close等對實時FIFO通道進(jìn)行訪問。內(nèi)核實時進(jìn)程還可以使用RTLinux的專有函數(shù)rtf_put和rtf_get對實時FIFO通道進(jìn)行讀寫。

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

#includembuff.h

void*mbuff_alloc（constchar*name,intsize）

voidmbuff_free（constchar*name,void*mbuf）

函數(shù)mbuff_alloc有兩個參數(shù)，共享內(nèi)存名name和共享內(nèi)存塊的大小size。如果指定的內(nèi)存共享名并不存在，分配成功時返回共享內(nèi)存指針，訪問計數(shù)置為1，分配失敗時返回空指針；如果指定的內(nèi)存共享名已經(jīng)存在，返回該塊共享內(nèi)存的指針，并將訪問計數(shù)值直接加1。在實時內(nèi)核模塊中使用該函數(shù)時，應(yīng)該將函數(shù)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）具有的延時，在系統(tǒng)內(nèi)核中只有少數(shù)的實時進(jìn)程使用。函數(shù)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(wù)程序。

#includertl_core.h

intrtl_request_irq（unsignedintirq,unsignedint（*handler）（unsignedint,structpt_regs*））

intrtl_free_irq（unsignedintirq）

中斷驅(qū)動的線程可以使用喚醒和掛起函數(shù)：

intpthread_wakeup_np（pthread_tthread）

intpthread_suspend_np（void）

一個中斷驅(qū)動的線程可以調(diào)用函數(shù)pthread_suspend_np（pthread_self（））阻塞自身線程的執(zhí)行，然后由中斷服務(wù)函數(shù)調(diào)用函數(shù)pthread_wakeup_np喚醒該線程的換行，直到此線程再次調(diào)用函數(shù)pthread_suspend_np（pthread_self（））將自身掛起。

軟中斷是Linux內(nèi)核常常使用的中斷，它能夠更安全地調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)。無論如何，對于許多任務(wù)來說并不能提供硬實時性能，將會導(dǎo)致一定的延時。

Intrtl_get_soft_irq（void（*handler）（int,void*,struetpt_regs），constchar*devname）分配一個虛中斷并安中斷；voidrtl_free_soft_irq（unsignedintirq）釋放分配的虛中斷。

RTLinux與Linux一樣通過/dev/mem設(shè)備訪問物理內(nèi)存，具體由模塊rtl_posixio.o提供此項功能。首先應(yīng)用程序應(yīng)該打開/dev/mem設(shè)備，通過函數(shù)mmap對某段物理內(nèi)存進(jìn)行映射后，即可使用映射后的地址訪問該段物理內(nèi)存。另一種訪問物理內(nèi)存的方法是通過Linux將會失敗。另一種訪問物理內(nèi)存的方法是通過Linux的函數(shù)ioremap（2）。RTLinux訪問I/O端口的函數(shù)如下（對于x86結(jié)構(gòu)）：

輸出一個字節(jié)到端口：

#includeasm/io.h

voidoutb（unsignedintvalue,unsignedshortport）

voidoutb_p（unsignedintvalue,unsignedshortport）

輸出一個字到端口：

#includeasm/io.h

voidoutw（unsignedintvalue,unsignedshortport）

voidoutw_p（unsignedintvalue,unsignedshortport）

從端口讀一個字節(jié)：

#includeasm/io.h

charinb（unsignedshortport）

charinb_p（unsignedshortport）

從端口讀一個字：

#includeasm/io.h

shortinw（unsignedshortport）

shortinw_p（unsignedshortport）

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

2.3線程同步

當(dāng)多個實時線程需要訪問共享資源時，如果沒有一種同步機(jī)制，將破壞共享資源中數(shù)據(jù)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(shù)組[3]。目前有以下函數(shù)可以使用：

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

pthread_mutexattr_setpshared//設(shè)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(shè)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(dāng)前線程直到解鎖；

prhread_untex_trylock//鎖定mutex,如果mutex已被鎖定，函數(shù)立即返回；

pthread_untex_unlock//解鎖mutex；

互斥信號類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL（defaultPOSIXmutexes）的PTHREAD_MUTEX_SPINLOCK（spinlocks）

3RTLinux的編程實例分析

下面結(jié)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(shù)據(jù)D0和D1）上周期輸出信號1，而對應(yīng)硬件中斷7的實時中斷服務(wù)程序?qū)⒃诓⒖诘?、3腳輸出信號0。連接并口的2腳和10腳（并口的確認(rèn)信號線，對應(yīng)于計算機(jī)的中斷7），則可在并口的2、3腳上產(chǎn)生一個方波信號。parport.c源程序如下：

#includertl.h

#includertl_sync.h

#includetime.h

#includeptrhrad.h

#includeasm/io.h

#includelinux/kd.h

pthread_tthread;

unsignedintintr_handler（unsignedintirq,structpt_regs*regs）{//中斷服務(wù)函數(shù)

outb（0,0x378）；//輸出字節(jié)0到并口數(shù)據(jù)線

rtl_hard_enable_irq（7）；//使能硬件中斷7

return0；

}

void*start_routine（void*arg）{//實時線程

structsched_paramp;//定義實時線程控制參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

p.sched_priority=1;//設(shè)置優(yōu)先級為1

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

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(zhí)行，輸出3到并口數(shù)據(jù)線

}

return0；

}

intinit_module（void）{//初始化模塊

intstatus;

rtl_irqstate_tf;//保存當(dāng)前的中斷狀態(tài)標(biāo)志到變量f，并禁止中斷

status=rtl_request_irq（7,irtr_handler）；//設(shè)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）