|
引言 隨著嵌入式設備的快速發展，嵌入式設備的功能和靈活性要求越來越高，很多嵌入式設備中都開始使用操作系統。由于工作的特殊性，很多嵌入式設備要求系統對外部事件的中斷響應必須在事先設定的時限范圍內完成，使系統具有可預測性，而通用的桌面操作系統大都是非實時或者是軟實時的，無法滿足需求，因此就必須使用實時操作系統(Real—Time Operating System，RTOS)。 實時操作系統是一個可以在有限確定的時間內，對異步輸入進行處理并輸出的信息系統。一個高性能的實時操作系統應具備良好的綜合性能，包括系統體系結構、基本系統功能支持(如內存和中斷管理)、APl支持和穩定性等。 實時系統又有軟實時系統(soft real—time system)和硬實時系統(hard real—time system)之分。軟實時系統是指那些在系統負荷較重時，允許發生錯過時限(deadline)的情況而且不會造成太大危害的系統，如電視會議系統；而硬實時系統是指那些對每個任務的調度時間要求非常嚴格的系統，如果不滿足時間限制的要求，則會給系統帶來毀滅性的后果。比如數控機床的進給控制系統，在規定時間內進給系統必須達到預定的位置，否則無法保證加工零件的精度，甚至無法完成加工。 在嵌入式系統領域，實時系統的核心是實時操作系統。目前已有很多商業實時操作系統，著名的有WindRiver公司的VxWorks，其他的有QNX、 pSOS+等。它們的優點是具有非常好的穩定性、可靠性和實時性，但是一般價格昂貴且互不兼容，而且源代碼作為商業秘密而不公開。與之相反，GPL協議下的Linux操作系統則為開發者在前人基礎上進行更深入的研究提供了可能。目前，具有代表性的Linux內核實時性研究項目有RT—Linux、 RTAI、Xenomai等。 1 Linux 2．6內核的實時性分析 相對于老版本內核，Linux 2．6版本的內核結構做了很大的改動，開發者對很多功能模塊的代碼都進行了重寫。最為顯著的改進是在影響系統實時性的進程調度方面，包括采用可搶占內核和新的0(1)調度程序。 但是Linux在最初的設計是用作個人PC或者小型服務器的操作系統，由于設計要求的針對性，導致了Linux無法提供硬實時環境，直接影響了它的硬實時性能。這主要表現在兩方面： (1)進程調度方式 Linux的進程調度采用的是時間片輪轉調度策略。不論進程優先級的高低，Linux在某段時間內都會分配給該進程一個時間片運行，也就是說它的設計更注重任務調度的公平性。這種情況下，就會出現高優先級進程由于其時間片的耗盡而被迫放棄處理器，處理器被沒有耗盡時間片的低優先級進程所占用的現象。這樣顯然無法適用于實時性要求比較高的系統。 (2)時鐘粒度粗糙 在Linux 2．6版本內核中，時鐘中斷發生的頻率范圍為50～1 200Hz，周期不小于0．8 ms，而工業上很多的中斷周期都在幾十μs之內。 對于上面提到的影響Linux實時性的問題，目前的解決辦法主要有2種： ①對Linux內核的內部進行實時改造，即直接修改Linux內核的數據結構、調度方式以及中斷方式(主要是時鐘中斷)。 采用這種方法，實時化改造后的系統實時性較好，但是工作量大，并且可能會造成系統不穩定。最大的缺點是：原本在Linux上運行的設備驅動程序和應用程序不能直接在改進的內核上運行。典型代表有Kurt-Linux。 ②對Linux內核的外部實時擴展，這種方法通常是采用雙內核的辦法。具體是在Linux內核和硬件間加入一個硬件抽象層(Hardware Abstract Layer，HAL)，系統所有的硬件中斷由這個抽象層控制。新創建一個內核專門用來調度實時進程，而普通進程通過原來的Linux內核進行調度。采用此方法的最大好處在于對Linux的內核改動很小，而且原Linux上的設備驅動程序和應用程序都能順利地在此實時系統上運行。其代表有RT—Linux、 RTAI和Xenomai。 2 Xenomai原理與應用 2．1 Xenomai簡介及其Adeos實現 Xenomai是一個自由軟件項目，提供了一個基于Linux的實時解決方案。它可以提供工業級RTOS的性能，而且完全遵守GNU／Linux自由軟件協議。目前最新穩定版本是2．4．5。 Xenomai項目起始于2001年。從2003年夏天起，Xenomai和RTAI有了兩年時間的合作，期間開發了廣為人知的RTAI／fusion項目分支。到2005年，Xenomai項目又重新獨立出來。而從2．0．0版本開始，Xenomai在硬件平臺的移植就一直是基于Adeos構架來實現的。 在基于Adeos的系統中，分為多個域。每個域中獨立運行一個操作系統(或者是實現一定功能的程序模塊)，每個域可以有獨立的地址空間和類似于進程、虛擬內存等的軟件抽象層。在各個域下層有一個Adeos通過虛擬中斷等方法來調度上面的各個域。在基于Adeos的系統中，存在著A、B、C、D四種類型的交互，如圖1所示。 
A類交互是各個域直接操作硬件設備，包括訪問內存等；B類交互指當Adeos接收到硬件中斷后，會根據中斷來對相應的域進行中斷服務；C類交互指當前域內的操作系統主動向Adeos請求某些服務；D類交互是指Adeos接收硬件產生的中斷和異常，同時也可以直接控制硬件。其中，Adeos實現的功能主要包括中斷管道機制(I—Pipe)、域管理模塊和域調度模塊功能。 2．2 Xenomai用戶層實時的實現 Xenomai除了在內核層利用Adeos實現了硬實時外，它在用戶空間也有很好的實時性。在S3C2410平臺上，為了實現用戶層的實時，Xenomai實現了一個硬件計數器——Decrementer。這個硬件計數器可以在用戶空問里很好地模擬TSC(Time Stamp Counter，時間戳計數器)。 同時，Xenomai在Linux內核中加入了一個全新的數據結構__ipipe_tscinfo，可以通過此數據結構變量存放用戶層需要的數據。該數據結構組成如下：
在用戶層，應用程序通過系統調用可以迅速得到struct_ipipe_tscinfo結構體中的數據。而且為了避免受到緩存的影響，Xenomai將此結構體變量存放在Linux的向量頁中。 內核通過函數_ipipe_mach_get_tscinfo來填充struct_ipipe_tscinfo結構體變量中的各項內容：
其中，info一>typte說明在S3C2410平臺上TSC是基于Decrementer硬件計數方式的；info 一>u．dec．counter用來將Decrementer計數器的物理地址設定為0x51000038；info 一>u．dec．mask掩碼用來注明使用Dec—rementet。計數器中的特定位；info一>u．dec．tsc指向存放64位 TSC值的區域。 在Xenomai用戶層的實時程序運行時，程序都會通過系統調用得到內核填充好的struct_ipipe_tscinfo結構體變量。具體實現可參考編譯用戶層實時程序時用到的，由Xenomai所提的頭文件/usr/xenomai/include/asm/syscall．h。 2．3 Xenomai多API構架 除了提供Linux硬實時，Xenomai的另一個目的是使基于Linux的實時操作系統能提供與傳統的工業級實時操作系統(包括VxWorks、 pSOS+、VRTX或者uITRON)功能相同的API。這樣，可以讓這些操作系統下的應用程序能夠很容易地移植到GNU／Linux環境中，同時保持很好的實時性。 Xenomai的核心技術表現為使用一個實時微內核(real—time nucleus)來構建這些實時API，也稱作“skin”。在實時核復用的基礎上，一個skin可以很好地模擬一種實時操作系統的API。它的結構圖可以參考圖2。
圖2中，Native是Xenomai自帶的API，各類API都有著同等的地位，都獨立地基于同一個實時微內核。這樣做可以讓內核的優點被外層所有的 API很好地繼承下來。更重要的是，實時微內核提供的服務被外層各種API以不同的方式表現出來，由此可以增強整個系統的強壯性。 編制實時程序時，在很多實時操作系統上只能在內核層實現；而編制實時內核模塊時，會受到內核的限制，比如有些實時內核不支持浮點運算，模塊出錯時容易使整個系統掛起，而且內核模塊的調試比較困難。Xenomai能夠支持較好的用戶層實時，這為編制實時性要求不是非常高的實時程序提供了一個有效途徑。下面這個用戶層實時例程使用的是Xenomai提供的Native API：
從程序中可以看出，Xenomai的用戶層實時程序的周期可以輕易地設定到μs級，所以它完全可以適用于一般實時性要求的工程應用。 3 總結 本文首先簡單介紹了實時操作系統，分析了Linux 2．6內核實時性能的不足；然后著重介紹了一個Linux實時化的解決方案——Xenomai，分析了Xenomai的Adeos構架基礎，簡要說明了 Xenomai用戶層實時的實現，以及Xenomai支持多種實時操作系統的API的新特點。本文給出的Xenomai的用戶層實時例程已經成功地在多個平臺上運行過，表明Xenomai用戶程序在多種硬件平臺上有很好的移植性。 參考文獻 1. 范劍英.吳巖.賈佳.周楊.王長勁.吳英 Linux2.6 內核實時性分析與改進方案 [期刊論文] -哈爾濱理工大學學報2008(1) 2. 於時才.繆東升.孫華.袁宗文 Linux 2.6調度系統的分析與改進 [期刊論文] -微計算機信息2007(15) 3. Xenomai I-pipe:ArmPorting 4. 白小明.邱桃榮 基于 Linux的嵌入式實時操作系統的研究 [期刊論文] -微計算機信息2006(5) 作者：南京航空航天大學 王榮 游有鵬 張少坤 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (2) |
