RTlinux的介紹

RTLinux程序運(yùn)行于用戶空間和內(nèi)核態(tài)兩個(gè)空間。RTLinux提供了應(yīng)用程序接口。借助這些API函數(shù)將實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(duì)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的強(qiáng)大支持功能。

軟實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn):

RTLinux通過一個(gè)高效的、可搶先的實(shí)時(shí)調(diào)度核心來全面接管中斷，并把Linux作為此實(shí)時(shí)核心的一個(gè)優(yōu)先級(jí)最低的進(jìn)程運(yùn)行。當(dāng)有實(shí)時(shí)任務(wù)需要處理時(shí)，RTLinux運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù);無實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，RTLinux運(yùn)行Linux的非實(shí)時(shí)進(jìn)程。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖4 RTLinux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在Linux進(jìn)程和硬件中斷之間,本來由Linux內(nèi)核完全控制,現(xiàn)在在Linux內(nèi)核和硬件中斷的地方加上了一個(gè)RTLinux內(nèi)核的控制。Linux的控制信號(hào)都要先交給RTLinux內(nèi)核進(jìn)行處理。在RTLinux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬中斷機(jī)制,Linux本身永遠(yuǎn)不能屏蔽中斷,它發(fā)出的中斷屏蔽信號(hào)和打開中斷信號(hào)都修改成向RTLinux發(fā)送一個(gè)信號(hào)。如在Linux里面使用“SI”和“CLI”宏指令,讓RTLinux里面的某些標(biāo)記做了修改。也就是說將所有的中斷分成Linux中斷和實(shí)時(shí)中斷兩類。如果RTLinux內(nèi)核接收到的中斷信號(hào)是普通Linux中斷,那就設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位;如果是實(shí)時(shí)中斷,就繼續(xù)向硬件發(fā)出中斷。在RTLinux中執(zhí)行STI將中斷打開之后,那些設(shè)置了標(biāo)志位表示的Linux中斷就繼續(xù)執(zhí)行,因此,CLI并不能禁止RTLinux內(nèi)核的運(yùn)行,卻可以用來中斷Linux。Linux不能中斷自己,而RTLinux可以。

RTLinux在默認(rèn)的情況下采用優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，即系統(tǒng)調(diào)度器根據(jù)各個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來確定執(zhí)行的先后次序。優(yōu)先級(jí)高的先執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)低的后執(zhí)行，這樣就保證了實(shí)時(shí)進(jìn)程的迅速調(diào)度。同時(shí)RTLinux也支持其它的調(diào)度策略，如最短時(shí)限最先調(diào)度(EDP)、確定周期調(diào)度(RM)(周期段的實(shí)時(shí)任務(wù)具有高的優(yōu)先級(jí))。RTLinux將任務(wù)調(diào)度器本身設(shè)計(jì)成一個(gè)可裝載的內(nèi)核模塊，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，編寫適合自己的調(diào)度算法。

對(duì)于一個(gè)操作系統(tǒng)而言，精確的定時(shí)機(jī)制雖然可以提高任務(wù)調(diào)度器的效率，但會(huì)增加CPU處理定時(shí)中斷的時(shí)間開銷。RTLinux對(duì)時(shí)間精度和時(shí)鐘中斷處理的時(shí)間開銷進(jìn)行了折中考慮。不是像Linux那樣將8254定時(shí)器設(shè)計(jì)成10ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷的固定模式，而是將定時(shí)器芯片設(shè)置為終端計(jì)時(shí)中斷方式。根據(jù)最近的進(jìn)程的時(shí)間需要，不斷調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)間隔。這樣不僅可以獲得高定時(shí)精度，同時(shí)中斷處理的開銷又最小。

5.RTLinux的主要功能

RTLinux提供了一整套對(duì)硬實(shí)時(shí)進(jìn)程的支持函數(shù)集。在此，對(duì)在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)加以闡述。

a.中斷仿真

在中斷控制硬件與LINUX核心之間放置一個(gè)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(shí)，就將仿真器中的一個(gè)變量置0。不論何時(shí)若有中斷發(fā)生，仿真器就檢查這個(gè)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(huì)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(huì)被執(zhí)行。這種仿真方式可以稱之為軟中斷。

b.實(shí)時(shí)任務(wù)

實(shí)時(shí)任務(wù)是在一個(gè)由核心控制的調(diào)度程序的調(diào)度下執(zhí)行的用戶定義的程序。

RT-LINUX最初將實(shí)時(shí)任務(wù)設(shè)計(jì)成ELF格式的目標(biāo)文件。這一設(shè)計(jì)方案的最大缺點(diǎn)就是性能比較差。原因在于，第一，486的緩存是虛擬的。所以每當(dāng)頁表目錄的基址寄存器改變時(shí)，TLB(轉(zhuǎn)換后備緩沖器)就會(huì)失效。由于實(shí)時(shí)任務(wù)的上下文轉(zhuǎn)換頻繁，所以TLB的頻繁失效就導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。第二，486的保護(hù)級(jí)別變換耗時(shí)不少。比如，陷入更高級(jí)別時(shí)需要71個(gè)循環(huán)，而其它指令一般少于10個(gè)循環(huán)。

解決的辦法就是使用可加載模組技術(shù)，所有的實(shí)時(shí)任務(wù)都同處于一個(gè)地址空間-內(nèi)核地址空間，不僅避免了頻繁的TLB失效，同時(shí)也消除了變換保護(hù)級(jí)別的消耗，而且任務(wù)轉(zhuǎn)換也變得相當(dāng)容易。

c.進(jìn)程調(diào)度

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度的主要任務(wù)就是滿足實(shí)時(shí)任務(wù)在時(shí)間上的要求。調(diào)度算法的種類很多，沒有一個(gè)策略是放之四海而皆準(zhǔn)的，因此采用哪種算法要取決于具體應(yīng)用。

RT-LINUX采用的方法是允許用戶編寫自己的調(diào)度程序，并可以編譯成模組的形式。這樣就可以方便地試驗(yàn)不同的策略和算法對(duì)于某一特定應(yīng)用的適合性，從中選出最優(yōu)。

RT-LINUX自帶的是一個(gè)基于優(yōu)先數(shù)的搶占式調(diào)度程序。此調(diào)度程序?qū)INUX當(dāng)作具有最低優(yōu)先數(shù)的實(shí)時(shí)任務(wù)。因此，LINUX只在實(shí)時(shí)系統(tǒng)無任何實(shí)時(shí)任務(wù)是才運(yùn)行。在從LINUX切換到實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)記下軟中斷的狀態(tài)并禁止軟中斷。在切換回來實(shí)，再恢復(fù)軟中斷的狀態(tài)。

d.時(shí)鐘

調(diào)度程序需要精確的時(shí)鐘才能準(zhǔn)確操作。調(diào)度通常是在特定的時(shí)刻進(jìn)行任務(wù)切換。時(shí)鐘的偏差會(huì)引起預(yù)定調(diào)度的偏差，導(dǎo)致產(chǎn)生被稱為任務(wù)發(fā)布抖動(dòng)的現(xiàn)象。這是一種應(yīng)該盡量避免的不良現(xiàn)象。

RT-LINUX的解決辦法是，將IBM PC兼容機(jī)中的時(shí)鐘芯片Intel 8254設(shè)置為中斷開啟終端計(jì)數(shù)模式。在這種模式下，精度可以達(dá)到1毫秒。這樣在降低中斷處理的影響的同時(shí)，獲得了較高的時(shí)鐘精度。

e.IPC

由于標(biāo)準(zhǔn)LINUX核心可以被實(shí)時(shí)任務(wù)在任意時(shí)刻搶占，所以實(shí)時(shí)任務(wù)無法安全地調(diào)用LINUX的程序。但是總要有一個(gè)信息交換的機(jī)制。

在RT-LINUX中所用的信息交換方式是RT-FIFO(實(shí)時(shí)隊(duì)列)。它與UNIX的管道非常相似，都是一個(gè)無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流。通過RT-FIFO，LINUX的進(jìn)程之間，實(shí)時(shí)進(jìn)程之間，以及LINUX的核心與實(shí)時(shí)進(jìn)程之間可以交換信息。

對(duì)于一個(gè)普通的進(jìn)程來說，RT-FIFO就是一個(gè)特殊的字符文件。這些文件必須自建：

# for i in 0 1 2 3; do mknod /dev/rtf$i c 63 $i; done