利用RTLinux開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序的方案
利用RTLinux開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/149497.htm對(duì)于中國(guó)工程師來(lái)說(shuō),利用實(shí)時(shí)Linux開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序是他們面臨的困難之一,本人通過(guò)這次機(jī)會(huì)以RTLinux為例,并結(jié)合最為業(yè)界關(guān)注的是RTAI與各位進(jìn)行討論,盡管這兩種實(shí)現(xiàn)方式在句法細(xì)節(jié)上存在差異,但是工作方式基本一樣,所以講述的內(nèi)容對(duì)兩者都適用。
在實(shí)時(shí)任務(wù)與用戶進(jìn)程通信的過(guò)程中,有些實(shí)時(shí)應(yīng)用程序無(wú)需任何用戶界面即可在后臺(tái)平靜地運(yùn)行,但是,越來(lái)越多的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序確實(shí)需要一個(gè)用戶界面及其它系統(tǒng)功能,如文件操作或聯(lián)網(wǎng)等,所有這些功能都必須在用戶空間內(nèi)運(yùn)行??墒牵脩艨臻g操作是非確定性的,并且與實(shí)時(shí)操作不兼容。
還好實(shí)時(shí)Linux具有一種可在時(shí)間上減弱實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)操作的機(jī)制,這種機(jī)制表現(xiàn)為一種稱為實(shí)時(shí)FIFO的驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)iNSmod將rtl_fifo.o驅(qū)動(dòng)程序插入Linux內(nèi)核時(shí),該驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆约鹤?cè)為RTLinux的一部分,并成為L(zhǎng)inux驅(qū)動(dòng)程序。一旦插入Linux內(nèi)核,用戶空間進(jìn)程和實(shí)時(shí)任務(wù)都可使用實(shí)時(shí)Linux FIFO。
在進(jìn)一步探討實(shí)時(shí)FIFO的細(xì)節(jié)之前,還要回顧一下實(shí)時(shí)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的某些部分(圖1)。有效的嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法是將實(shí)時(shí)部分與固有的非實(shí)時(shí)功能分離開(kāi)來(lái)(表1)。假如應(yīng)用程序的任一部分,如用戶界面、圖形、數(shù)據(jù)庫(kù)或網(wǎng)絡(luò)僅需軟實(shí)時(shí)性能,最好是將該部分寫入用戶空間。然后,僅將必須滿足時(shí)序要求的那部分寫成實(shí)時(shí)任務(wù)。
任何硬實(shí)時(shí)任務(wù)都是在RTLinux的控制下運(yùn)行的,該任務(wù)一般可執(zhí)行周期性任務(wù)、處理中斷并與I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通信,以采集或輸出模擬和數(shù)字信息。當(dāng)實(shí)時(shí)任務(wù)需要告訴用戶進(jìn)程有一個(gè)事件將發(fā)生時(shí),它便將這一消息送給實(shí)時(shí)FIFO。每一個(gè)FIFO都是在一個(gè)方向上傳送數(shù)據(jù):從實(shí)時(shí)任務(wù)到用戶空間,或反之。因此,雙向通信需要使用兩個(gè)FIFO。任何讀出或?qū)懭雽?shí)時(shí)任務(wù)一側(cè)的操作都是非模塊操作,因此rtf_put()和rtf_get()都立即返回,而不管FIFO狀態(tài)是什么。
觀察了FIFO這么久(從應(yīng)用程序的角度看),我是實(shí)在看不出她有什么與眾不同。缺省情況下,RTLinux安裝程序?qū)⒃?dev目錄下創(chuàng)建64個(gè)實(shí)時(shí)FIFO節(jié)點(diǎn);如果需要,還必須自己創(chuàng)建新的節(jié)點(diǎn)。例如,要?jiǎng)?chuàng)建/dev/rtf80,需采用如下命令:
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mknod c 150 80;
chmod 0666 /dev/rtf80
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其中,150是實(shí)時(shí)FIFO主數(shù),而80是rtf80的次數(shù)。
從用戶進(jìn)程的角度看,實(shí)時(shí)FIFO可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)文件操作。從實(shí)時(shí)任務(wù)來(lái)看,F(xiàn)IFO有兩種通信方式:直接調(diào)用RTLinux FIFO功能,或?qū)IFO作為一個(gè)RTLinux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,并使用open()、close()、read()和write()操作。要想將FIFO作為一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,就必須將rtl_cONf.h中的配置變量CONFIG_RTL_POSIX_IO設(shè)定為1。
rtf_create_handler()可設(shè)置處理程序功能。每次Linux進(jìn)程讀或?qū)慒IFO時(shí),rtl_fifo驅(qū)動(dòng)程序都要調(diào)用該處理程序。應(yīng)注意的是,該處理程序駐留在Linux內(nèi)核,因此當(dāng)Linux需要調(diào)用時(shí),從該處理程序進(jìn)行任何內(nèi)核調(diào)用都是安全的。從該處理程序到實(shí)時(shí)任務(wù)間的最好通信方法是使用旗語(yǔ)或線程同步功能。最后,F(xiàn)IFO驅(qū)動(dòng)程序還必須對(duì)內(nèi)核存儲(chǔ)器進(jìn)行配置。因此,實(shí)時(shí)線程內(nèi)的rtf_create()不應(yīng)調(diào)用。相反,可調(diào)用init_module()中的rtf_create()功能及cleanup_module()中的rtf_destroy()功能。
以上介紹太書(shū)面,我自己看了一編都犯暈,給大家講一個(gè)生動(dòng)的故事吧!列表1給出了一個(gè)采用兩個(gè)FIFO的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)部分。兩個(gè)FIFO都是在init_module()創(chuàng)建,并賦予minor numbers 為1和2。在調(diào)用rtf_create(minor, size)之前,該程序在已創(chuàng)建該FIFO的情況下調(diào)用rtf_destroy(minor)。這種情況就是另一個(gè)模塊在開(kāi)發(fā)過(guò)程中未被調(diào)用。然后,調(diào)用rtf_create_handler(ID, AMP;pd_do_aout)以注冊(cè)帶該實(shí)時(shí)FIFO的數(shù)據(jù)采集模擬輸出功能pd_do_aout()。注意,創(chuàng)建實(shí)時(shí)線程pp_thread_ep()是因?yàn)樗侵芷谛缘?,其間隔為1/100秒。
每次周期性線程得到系統(tǒng)控制權(quán)后,它就調(diào)用rtf_put(ID,dataptr,size)以便將數(shù)據(jù)插入minor number為2的FIFO。Linux進(jìn)程打開(kāi)/dev/rtf2,從實(shí)時(shí)FIFO中讀取并顯示所采集的數(shù)據(jù)。該進(jìn)程還打開(kāi)/dev/rtf1,將數(shù)據(jù)寫入其它實(shí)時(shí)FIFO。當(dāng)用戶移動(dòng)屏幕滑動(dòng)器以改變模擬輸出電壓時(shí),進(jìn)程就向該FIFO寫入一個(gè)新的值。RTLinux便調(diào)用pd_do_aout()處理程序,隨后pd_do_aout()利用rtf_get()從FIFO獲得值,并調(diào)用實(shí)際的硬件驅(qū)動(dòng)程序以設(shè)置模擬輸出的電壓??梢钥吹?,實(shí)時(shí)任務(wù)和用戶進(jìn)程是異步使用FIFO的。
任務(wù)間的存儲(chǔ)器共享
FIFO為用戶進(jìn)程和實(shí)時(shí)任務(wù)的連接提供了一種方便的機(jī)制,但將它們作為消息隊(duì)列更適合。比如,一個(gè)實(shí)時(shí)線程可利用FIFO記錄測(cè)試結(jié)果,然后用戶進(jìn)程就可讀取該結(jié)果,并將之存入數(shù)據(jù)庫(kù)文件。
許多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序涉及到內(nèi)核及用戶空間之間的大量數(shù)據(jù)。Linux內(nèi)核v. 2.2.x并沒(méi)有為這些空間的數(shù)據(jù)共享提供任何機(jī)制,但v. 2.4.0版本預(yù)計(jì)會(huì)包括kiobuf結(jié)構(gòu)。為解決現(xiàn)有穩(wěn)定內(nèi)核的這個(gè)缺點(diǎn),RTLinux包括mbuff驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序可利用vmalloc()分配虛擬內(nèi)核存儲(chǔ)器的已命名存儲(chǔ)器區(qū)域,它采用的存儲(chǔ)器分配和頁(yè)面鎖定技巧跟大多數(shù)Linux中bttv幀抓取器驅(qū)動(dòng)程序所用的一樣。
更具體地說(shuō),mbuff一頁(yè)一頁(yè)地將虛擬內(nèi)存鎖定到實(shí)際的物理內(nèi)存頁(yè)面。任何實(shí)時(shí)或內(nèi)核任務(wù),或用戶進(jìn)程在任何時(shí)間都可訪問(wèn)該存儲(chǔ)器。通過(guò)將虛擬內(nèi)存頁(yè)面鎖定到物理內(nèi)存頁(yè)面,mbuff可確保所分配的頁(yè)面永久駐留在物理內(nèi)存,而且不會(huì)發(fā)生頁(yè)面錯(cuò)誤。換言之,當(dāng)實(shí)時(shí)或內(nèi)核進(jìn)程訪問(wèn)所分配的存儲(chǔ)器時(shí),它可確保VMM不被調(diào)用。注意:由于實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行期間實(shí)時(shí)Linux凍結(jié)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的執(zhí)行,任何對(duì)VMM的調(diào)用都會(huì)引起系統(tǒng)暫停。如果它要訪問(wèn)并不位于物理RAM內(nèi)的虛擬存儲(chǔ)頁(yè)面,那么即使正常的Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序也會(huì)引起系統(tǒng)故障。
由于mbuff是一種Linux驅(qū)動(dòng)程序,其功能可通過(guò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/mbuff實(shí)現(xiàn)。該節(jié)點(diǎn)可顯示幾個(gè)錄入點(diǎn),其中包括可將內(nèi)核空間地址映射到用戶空間的mmap()。它還可以利用錄入點(diǎn)ioctl()來(lái)控制。然而,并不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及直接調(diào)用ioctl。相反,mbuff可為ioctl()調(diào)用提供一個(gè)包裹,而且僅僅調(diào)用兩個(gè)簡(jiǎn)單的功能即可配置和釋放共享的存儲(chǔ)緩沖器。
當(dāng)然,不能從實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)用mbuff驅(qū)動(dòng)程序,因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)程序所調(diào)用的虛擬存儲(chǔ)器分配功能本身是不確定性操作。分配共享存儲(chǔ)器所需的時(shí)間依賴于主系統(tǒng)的存儲(chǔ)器容量以及CPU速度、磁盤驅(qū)動(dòng)器性能和存儲(chǔ)器分配的現(xiàn)有狀態(tài)。因此,只能從模塊的Linux內(nèi)核一側(cè)來(lái)分配共享存儲(chǔ)器,比如從init_module()或一個(gè)ioctl()請(qǐng)求開(kāi)始。
那么,一個(gè)共享緩沖器到底能分配多少存儲(chǔ)器呢?如果不是任務(wù)繁重的服務(wù)器或圖形應(yīng)用,建議至少為L(zhǎng)inux保留8MB存儲(chǔ)空間。為了獲得優(yōu)化的配置,可在限制存儲(chǔ)器大小的同時(shí)測(cè)量實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的性能,以確定需要多少存儲(chǔ)空間。
列表2給出了如何從實(shí)時(shí)任務(wù)和用戶進(jìn)程方面訪問(wèn)共享的存儲(chǔ)器。內(nèi)核模塊和用戶任務(wù)采用同樣的功能集。當(dāng)然,要想使用insmod mbuff.o,還必須將之置于Linux內(nèi)核中。例如,mbuff_alloc(buf_name, size)可將符號(hào)名buf_name分配給一個(gè)緩沖器,而mbuff_free(buf_name, mbuf)可將之釋放。
當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用帶有符號(hào)緩沖器名的mbuff_alloc()時(shí),mbuff執(zhí)行實(shí)際的存儲(chǔ)器分配。而當(dāng)從內(nèi)核模塊或用戶進(jìn)程再次調(diào)用該功能時(shí),它只是簡(jiǎn)單地增加使用數(shù)(usage count)及將指針?lè)祷噩F(xiàn)有的緩沖器。每次調(diào)用mbuff_free()都會(huì)減少使用數(shù),直至為零,這時(shí)mbuff就去分配帶符號(hào)名的緩沖器。這種方法從多個(gè)內(nèi)核模塊和用戶進(jìn)程獲得一個(gè)指向同一共享緩沖器的指針,從而解決了問(wèn)題。它還可確保共享緩沖器一直有效,直到最后的應(yīng)用程序釋放它。請(qǐng)注意,是實(shí)時(shí)內(nèi)核還是用戶進(jìn)程執(zhí)行實(shí)際的buf1配置依賴于誰(shuí)先獲得控制權(quán)。
還有一個(gè)“笨”方法可在實(shí)時(shí)應(yīng)用程序、內(nèi)核模塊和用戶應(yīng)用程序間共享存儲(chǔ)器。對(duì)于嵌入式應(yīng)用,該方法還是可以接受的。例如,如果PC帶有128MB RAM,可將線搜索路徑=mem=120m添加進(jìn)lilo.conf文件(列表3)。當(dāng)啟動(dòng)帶有Linux內(nèi)核和RTLinux 2.3的系統(tǒng)時(shí),Linux僅使用120MB內(nèi)存。OS也不用剩下的8MB內(nèi)存(物理地址為0x7F00000到0x7FFFFFF),而是留給在OS下運(yùn)行的各種任務(wù)共享。要想從用戶進(jìn)程獲取存儲(chǔ)器地址并訪問(wèn)預(yù)留的存儲(chǔ)器,必須用O_RDWR訪問(wèn)模式來(lái)打開(kāi)/dev/mem驅(qū)動(dòng)程序,然后利用mmap()保留存儲(chǔ)器(列表4)。而從實(shí)時(shí)模塊或內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序一側(cè)進(jìn)行,則必須使用ioremap(0x7F00000, 0x100000)才能獲取這8MB (0x100000字節(jié))預(yù)留內(nèi)存。
這種方法有利有弊。既不能通過(guò)預(yù)留內(nèi)存的所有權(quán),也不能通過(guò)讀或?qū)憗?lái)獲取控制權(quán)。正確地配置和釋放大量?jī)?nèi)存的機(jī)制尚未問(wèn)世。另外,無(wú)論實(shí)時(shí)進(jìn)程是否需要,該內(nèi)存都不能為L(zhǎng)inux所用。
也許存儲(chǔ)器共享笨方法的唯一適用場(chǎng)合是專為特定應(yīng)用而定制的小型嵌入式系統(tǒng),因?yàn)榇藭r(shí)可為小型化而放棄使用mbuff驅(qū)動(dòng)程序。
中斷
RTLinux有兩種中斷:硬中斷和軟中斷。軟中斷就是常規(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。這類中斷作為硬中斷處理的第二部分還是相當(dāng)有用的(由參考文獻(xiàn)5可獲得更多有關(guān)Linux環(huán)境下中斷處理的細(xì)節(jié))。
硬(實(shí)時(shí))中斷是安裝實(shí)時(shí)Linux的前提。要安裝中斷處理程序,先調(diào)用rtl_request_IRq(…),然后調(diào)用rtl_free_irq()釋放它。依賴于不同的系統(tǒng),實(shí)時(shí)Linux下硬(或?qū)崟r(shí))中斷的延遲是15μs的數(shù)量級(jí)。較快的處理器具有較好的延遲。如果想在實(shí)時(shí)處理程序和常規(guī)Linux驅(qū)動(dòng)程序中處理同一設(shè)備IRQ,必須為每一個(gè)硬中斷單獨(dú)設(shè)置IRQ。
列表5給出了安裝實(shí)時(shí)中斷處理程序的過(guò)程。RTLinux在執(zhí)行實(shí)時(shí)中斷處理程序時(shí)將禁止IRQ。應(yīng)注意,該代碼須在退出實(shí)時(shí)中斷處理程序前調(diào)用rtl_hard_enable_irq()才能重新使能中斷。
有兩個(gè)問(wèn)題影響直接從實(shí)時(shí)中斷處理程序調(diào)用Linux內(nèi)核功能:內(nèi)核禁止所有中斷及不定義執(zhí)行內(nèi)容。還應(yīng)注意的是,這里也不能執(zhí)行浮點(diǎn)操作。利用實(shí)時(shí)中斷處理程序來(lái)控制線程執(zhí)行是避免出現(xiàn)這些問(wèn)題的好辦法。本例采用pthread_wakeup_np()功能來(lái)喚醒一個(gè)實(shí)時(shí)線程。中斷處理程序可處理即時(shí)的工作,余下的由該線程解決。
SMP結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
實(shí)時(shí)Linux都支持多處理器架構(gòu)。對(duì)稱多處理器(SMP)結(jié)構(gòu)采用了高級(jí)可編程中斷控制器(APIC),奔騰級(jí)處理器都有片上本地APIC,可為本地處理器傳送中斷。SMP(甚至單處理器母板)都有I/O APIC,可收集來(lái)自外設(shè)的中斷請(qǐng)求,并將它們傳送給本地APIC。舊的8259 PIC速度很慢,所處理的中斷向量數(shù)不充分,迫使設(shè)備共享中斷,使得中斷處理更慢。但是,APIC可解決這些問(wèn)題。通過(guò)為每個(gè)設(shè)備請(qǐng)求設(shè)置一個(gè)特定的IRQ,系統(tǒng)可減少中斷延遲,APIC還可加速同步代碼。
實(shí)時(shí)Linux可充分利用APIC。在SMP系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)調(diào)度程序利用APIC,而不是采用過(guò)時(shí)的8254芯片來(lái)完成時(shí)序分配。由于PC的兼容性,8254位于每一個(gè)ISA總線上,而且每一個(gè)再編程設(shè)備的調(diào)用都要占用處理器周期。一個(gè)千兆赫CPU要浪費(fèi)數(shù)百個(gè)處理器周期來(lái)等待8MHz定時(shí)器(大約2.5μs)。APIC工作在總線頻率,而且可立即執(zhí)行所有的定時(shí)器操作,這意味著必須利用本地APIC時(shí)鐘在AMP機(jī)器上獲取更高的周期性頻率(雙P-III-500 CPU可在100kHz運(yùn)行周期性實(shí)時(shí)線程,而無(wú)明顯的性能損失)。
實(shí)時(shí)Linux能很好地執(zhí)行多處理任務(wù),它為每個(gè)CPU實(shí)施單獨(dú)的進(jìn)程。調(diào)用pthread_create()可創(chuàng)建一個(gè)在現(xiàn)有CPU上運(yùn)行的線程。還可用pthread_attr_setcpu_np()將該線程分配給一個(gè)特定的CPU,以改變線程屬性。在調(diào)用這一功能之前,必須首先初始化線程屬性。
RTLinux v. 3包括reserve_cpu功能,可預(yù)留SMP平臺(tái)上的一個(gè)CPU,專供RTLinux使用。它可運(yùn)行于2.4x內(nèi)核,RTAI也具有幾乎同樣的功能。
如果想將任務(wù)分給某一特定的CPU,請(qǐng)留意“pset”方案(http://isunix.it.ilstu.edu/thockin/pset/)。利用該內(nèi)核可將一個(gè)SMP處理器專門分配給一個(gè)用戶應(yīng)用程序,甚至可從Linux處理器組中調(diào)用一個(gè)處理器專用于實(shí)時(shí)任務(wù)。
同步基元
早期的實(shí)時(shí)Linux沒(méi)有同步基元?,F(xiàn)在,POSIX型的旗語(yǔ)、互斥和信號(hào)在最新的實(shí)時(shí)Linux版本中都已出現(xiàn)。雖然在實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)中采用這些同步基元還存在問(wèn)題,但同步或用信號(hào)表示實(shí)時(shí)任務(wù)和用戶應(yīng)用程序很有意義,然而,這要求軟件開(kāi)發(fā)者具有高超的技能,這一問(wèn)題已超出本文的討論范圍。
快速學(xué)習(xí)pthread_mutex_init()、pthread_mutex_lock()、pthread_mutex_trylock()、pthread_mutex_unlock()和pthread_mutex_destroy()等同步功能的最好方法是查看。/examples/mutex/mutex.c。特別要提醒的是。/examples/mutex/sema_Test.c文件是學(xué)習(xí)旗語(yǔ)的很好起點(diǎn)。
實(shí)時(shí)Linux發(fā)展方向
實(shí)時(shí)Linux與Linux一樣仍然處于不斷發(fā)展之中。每一個(gè)新的版本都添加了更多的特性和功能。實(shí)時(shí)Linux正朝著更好的POSIX 1003.x實(shí)現(xiàn)方向發(fā)展,最新的特性包括用戶空間進(jìn)程的實(shí)時(shí)支持、互斥、信號(hào)、旗語(yǔ)、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器管理和擴(kuò)展的SMP支持等。如果還未確定下一個(gè)項(xiàng)目采用哪個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng),可下載一種實(shí)時(shí)Linux版本了解一下。其實(shí),Linux已經(jīng)是一種成熟的OS,而且具備實(shí)時(shí)擴(kuò)展版本,它是嵌入式應(yīng)用的最佳選擇之一。
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(wèn)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(kāi)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)。
軟實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)
RTLinux通過(guò)一個(gè)高效的、可搶先的實(shí)時(shí)調(diào)度核心來(lái)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(wú)實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí),RTLinux運(yùn)行Linux的非實(shí)時(shí)進(jìn)程。在Linux進(jìn)程和硬件中斷之間,本來(lái)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(kāi)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(shuō)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(kāi)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(lái)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(lái)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、確定周期調(diào)度。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(kāi)銷。RTLinux對(duì)時(shí)間精度和時(shí)鐘中斷處理的時(shí)間開(kāi)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(kāi)銷又最小。
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。
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)里優(yōu)先權(quán)最低的線程來(lái)運(yùn)行,從而避開(kāi)了Linux內(nèi)核性能的問(wèn)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。
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(kù)的強(qiáng)大支持功能。
Alex Ivchenko博士是聯(lián)合電子實(shí)業(yè)公司的研發(fā)工程經(jīng)理,也是該公司PowerDAQ II系列PCI數(shù)據(jù)采集板的主要開(kāi)發(fā)者之一。最近,他正為該系列卡編寫Linux驅(qū)動(dòng)程序??赏ㄟ^(guò)電子郵件aivchenko@ueidaq.com與他聯(lián)系。
講了這么大段,不知道大家有沒(méi)對(duì)RTLinux進(jìn)一步了解,或許在不久的將來(lái),你也會(huì)深深的愛(ài)上她,我們來(lái)總結(jié)下:上面我們一共討論了她的日常生活(運(yùn)作),她的與眾不同,當(dāng)然她的外貌也是揮之不去的,下面為了鄉(xiāng)親們的幸福,我特地請(qǐng)教了谷歌大哥RTLinux的出生背景和她的生日哦!大家努力研讀吧!幸福在向我們招手!
RTLinux大掃盲:
RTLinux(AReal-Time Linux,亦稱作實(shí)時(shí)Linux)是Linux中的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它由新墨西哥礦業(yè)及科技學(xué)院的V. Yodaiken開(kāi)發(fā)。目前,RTLinux有一個(gè)由社區(qū)支持的免費(fèi)版本,稱為RTLinux Free,以及一個(gè)來(lái)自FSMLabs的商業(yè)版本,稱作RTLinux Pro。
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(kāi)發(fā)的、利用linux開(kāi)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(kāi)發(fā)者并沒(méi)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(kāi)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(kāi)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(guò)RTLinux內(nèi)核訪問(wèn)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(kāi)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(kāi)發(fā)的開(kāi)源版本。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
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