RTlinux的介紹

1.RTLinux

RTLinux是由美國(guó)新墨西哥州的fsmlabs(finite STate machine labs, 有限狀態(tài)機(jī)實(shí)驗(yàn)室)公司開發(fā)的、利用linux開發(fā)的面向?qū)崟r(shí)和嵌入式應(yīng)用的操作系統(tǒng)。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(jīng)成功地應(yīng)用于航天飛機(jī)的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測(cè)控和電影特技圖像處理等廣泛領(lǐng)域，在電信、工業(yè)自動(dòng)化和航空航天等實(shí)時(shí)領(lǐng)域也有成熟應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)滲透到日常生活的各個(gè)層面，包括傳統(tǒng)的數(shù)控領(lǐng)域、軍事、制造業(yè)和通信業(yè)，甚至連潛力巨大的信息家電、媒體廣播系統(tǒng)和數(shù)字影像設(shè)備都對(duì)實(shí)時(shí)性提出了愈來(lái)愈高的要求。

RT-Linux開發(fā)者并沒有針對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特性而重寫Linux的內(nèi)核，因?yàn)檫@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(gè)優(yōu)先級(jí)很低的任務(wù)，而實(shí)時(shí)任務(wù)作為優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。即在實(shí)時(shí)任務(wù)存在的情況下運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)，否則才運(yùn)行l(wèi)inux本身的任務(wù)。TRLinux能夠創(chuàng)建精確運(yùn)行的符合POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)進(jìn)程;并且作為一種遵循GPL v2協(xié)議的開放軟件，可以達(dá)GPL v2協(xié)議許可范圍內(nèi)自由地、免費(fèi)地使用、修改和再發(fā)生。

它是Linux在實(shí)時(shí)性方面的擴(kuò)展，采用已獲得專利的雙核技術(shù):一個(gè)微型的RTLinux內(nèi)核把原始的Linux內(nèi)核作為它在空閑時(shí)的一個(gè)線程來(lái)運(yùn)行。這開啟了在兩個(gè)不同的內(nèi)核層面上DD實(shí)時(shí)的RTLinux內(nèi)核和常用的，非實(shí)時(shí)的Linux內(nèi)核DD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(shí)際上都是由RTLinux來(lái)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(gè)由FSMLabs開發(fā)的完全商業(yè)版本的實(shí)時(shí)linux。RTLinux/Free是一個(gè)由社區(qū)開發(fā)的開源版本。

2.標(biāo)準(zhǔn)Linux影響實(shí)時(shí)性的機(jī)制

現(xiàn)有的Linux是一個(gè)通用的操作系統(tǒng)，雖然它采用了許多技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的運(yùn)行和反應(yīng)速度，但它本質(zhì)上不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，應(yīng)用于嵌入式環(huán)境中還存在諸多的不足。具體表現(xiàn)如下：

1.關(guān)中斷問題

在系統(tǒng)調(diào)用中，為了保護(hù)臨界區(qū)資源，Linux處于內(nèi)核臨界區(qū)時(shí)，中斷會(huì)被系統(tǒng)屏蔽，這就意味著如果當(dāng)前進(jìn)程正處于臨界區(qū)，即使它的優(yōu)先級(jí)較低，也會(huì)延遲高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求。在實(shí)時(shí)應(yīng)用中，這是一個(gè)十分嚴(yán)重的問題。

2.進(jìn)程調(diào)度問題

Linux采用標(biāo)準(zhǔn)的UNIX技術(shù)使得內(nèi)核是不可搶占的。采用基于固定時(shí)間片的可變優(yōu)先級(jí)調(diào)度，不論進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)多么低，Linux總會(huì)在某個(gè)時(shí)候分給該進(jìn)程一個(gè)時(shí)間片運(yùn)行，即使同時(shí)有可以運(yùn)行的高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程，它也必須等待低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的時(shí)間片用完，這對(duì)一些要求高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程立即搶占CPU的實(shí)時(shí)應(yīng)用是不能滿足要求的。

3.時(shí)鐘問題

Linux為了提高系統(tǒng)的平均吞吐率，將時(shí)鐘中斷的最小間隔設(shè)置為10ms，這對(duì)于一個(gè)周期性的實(shí)時(shí)任務(wù)，間隔要求小于10ms時(shí)，就不能滿足實(shí)時(shí)任務(wù)的需要。如果要把時(shí)鐘 的間隔改小以滿足周期性的實(shí)時(shí)任務(wù)的需要，由于Linux的進(jìn)程切換比較費(fèi)時(shí)，時(shí)鐘中斷越頻繁，而花在中斷處理上的時(shí)間就越多,系統(tǒng)的大部分時(shí)間是調(diào)用進(jìn)程調(diào)度程序進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度而不能進(jìn)行正常的處理。

3.RTLinux的特點(diǎn)

在Linux 操作系統(tǒng)中，調(diào)度算法(其于最大吞吐量準(zhǔn)則)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在時(shí)間上的不可預(yù)測(cè)性，決定了Linux操作系統(tǒng)不能處理硬實(shí)時(shí)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(gè)虛擬層(通常稱作虛擬機(jī))，構(gòu)筑了一個(gè)小的、時(shí)間上可預(yù)測(cè)的、與Linux內(nèi)核分開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，使得在其中運(yùn)行的實(shí)時(shí)進(jìn)程滿足硬實(shí)時(shí)性。并且RTLinux和Linux構(gòu)成一個(gè)完備的整體，能夠完成既包括實(shí)時(shí)部分又包括非實(shí)時(shí)部分的復(fù)雜任務(wù)。

4.RTLinux的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

RT-Linux對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行改造，將Linux內(nèi)核工作環(huán)境做了一些變化，如圖1所示：

圖1 RTLinux對(duì)Linux內(nèi)核改變

RTLinux有兩種中斷：硬中斷和軟中斷。軟中斷是常規(guī)Linux內(nèi)核中斷。它的優(yōu)點(diǎn)在于可無(wú)限制地使用Linux內(nèi)核調(diào)用。硬中斷是安裝實(shí)時(shí)Linux的前提。依賴于不同的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)Linux下硬中斷的延遲是15μs。

它在Linux內(nèi)核的下層實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)內(nèi)核,而Linux本身作為這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核的優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù),所有的實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)都高于Linux系統(tǒng)本身的以及Linux系統(tǒng)下的一般任務(wù)。RTLinux的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 RTLinux的體系結(jié)構(gòu)

RTLinux的設(shè)計(jì)思想是:應(yīng)用硬件的實(shí)時(shí)約束將實(shí)時(shí)程序分割成短小簡(jiǎn)單的部分,較大部分承擔(dān)較復(fù)雜的任務(wù)。根據(jù)這一原則,將應(yīng)用程序分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)(即程序)2個(gè)部分。

硬實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn):

硬件實(shí)時(shí)部分被作為實(shí)時(shí)任務(wù)來(lái)執(zhí)行,并從外部設(shè)備拷貝數(shù)據(jù)到一個(gè)叫做實(shí)時(shí)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(lái)執(zhí)行。它將從RTFIFO中讀取數(shù)據(jù),然后顯示并存儲(chǔ)到文件中,實(shí)時(shí)部分將被寫入內(nèi)核。設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)有名管道是為了使實(shí)時(shí)任務(wù)在讀和寫數(shù)據(jù)時(shí)不被阻塞。圖3所示的是RTFIFO結(jié)構(gòu)圖。

圖3 RT-FIFO結(jié)構(gòu)圖

RTLinux將標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核作為簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)(或叫子內(nèi)核)里優(yōu)先權(quán)最低的線程來(lái)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(gè)內(nèi)核。這就意味著有兩組單獨(dú)的API，一個(gè)用于Linux環(huán)境，另一個(gè)用于實(shí)時(shí)環(huán)境。此外，為保證實(shí)時(shí)進(jìn)程與非實(shí)時(shí)Linux進(jìn)程不順序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊(duì)列。RT-FIFO被Linux視為字符設(shè)備，最多可達(dá)150個(gè)，分別命名為/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最大的RT-FIFO數(shù)量在系統(tǒng)內(nèi)核編譯時(shí)設(shè)定。