|
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(RealTime Linux)[1]是 一種基于Linux的實時操作系統(tǒng),是由FSMLabs公司(Finite State Machine Labs Inc.)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)建精確運行的符合POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)的實時進程;并且作為一種遵循GPL v2協(xié)議的開放軟件,可以在GPL v2協(xié)議許可范圍內(nèi)自由地、免費地使用、修改和再發(fā)行。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。 1 RTLinux的特點 在Linux操作系統(tǒng)中,調(diào)度算法(基于最大吞吐量準(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),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,使得在其中運行的實時進程滿足硬實時性。并且RTLinux和Linux 構(gòu)成一個完備的整體,能夠完成既包括實時部分又包括非實時部分的復(fù)雜任務(wù)。 1.1 硬實時性 RTLinux將Linux源碼中所有的cli、sti、iret指令分別用宏S_CLI、S_STI、 S_IRET替換,引入的虛擬層將截取所有的硬件中斷,分割Linux系統(tǒng)與硬件中斷之間的直接聯(lián)系。當(dāng)RTLinux虛擬層接收到與實時處理有關(guān)的硬件 中斷時,立即啟動執(zhí)行相應(yīng)的實時中斷服務(wù)程序;而接收到與實時處理無關(guān)的中斷時,先保存相應(yīng)的信息,等到RTLinux內(nèi)核空閑時通過軟中斷傳遞給 Linux內(nèi)核去處理,這樣就使得RTLinux內(nèi)核不受各種軟、硬件中斷的影響,不會造成時間上的不可預(yù)測性。同時又區(qū)別于其他的實時處理方案,它并未 對操作系統(tǒng)的內(nèi)核作結(jié)構(gòu)性的修改,因此并不會妨礙Linux操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展和變化。 Linux采用基于最大吞吐量準(zhǔn)則的調(diào)度策略,并不能確保各個實時進程的及時調(diào)度。而RTLinux在缺省情況下采用優(yōu)先級的調(diào)度策略,即系統(tǒng) 調(diào)度器根據(jù)各個實時任務(wù)的優(yōu)先級來確定執(zhí)行的先后次序。優(yōu)先級高的先執(zhí)行,優(yōu)先級低的后執(zhí)行,這樣就保證了實時進程的迅速調(diào)度。同時RTLinux也支持 其它的調(diào)度策略,如最短時限最先調(diào)度(EDP)、確定周期調(diào)度(RM)(周期短的實時任務(wù)具有高的優(yōu)先級)。RTLinux將任務(wù)調(diào)度器本身設(shè)計成一個可 裝載的內(nèi)核模塊,用戶可以根據(jù)自己的實際需要,編寫適合自己的調(diào)度算法。 操作系統(tǒng)精確的定時機制,可以提高任務(wù)調(diào)度器的效率,但增加了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)生一次定時中斷的固定模式,而是根據(jù)最近事件(進程)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)用程序提供一個程序庫。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)。為了滿足當(dāng)今實時應(yīng)用程序的多種需求,通常采用在實時控制內(nèi)核上增加這些服務(wù)或完全修改標(biāo)準(zhǔn) 操作系統(tǒng)內(nèi)核的方法,而RTLinux所采用的是一種新型高效的方式。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)核在空閑時運行的進程。這種將實時系統(tǒng)和平均時間優(yōu)化的 標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)協(xié)同工作的方式,使得許多實時應(yīng)用都顯示出一種增效。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,給實時進程提供了很 大的靈活性;運行在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,增加了系統(tǒng)的安全 性。 2 RTLinux的主要功能 RTLinux提供了一整套對硬實時進程的支持函數(shù)集。在此,僅對在嵌入式系統(tǒng)中最重要的三個方面:進程間的通訊、中斷和硬件設(shè)備的訪問以及線程間的同步加以闡述。 2.1 進程間的通信(IPC) RTLinux要求將應(yīng)用程序分成實時部分和非實時部分。應(yīng)用程序的實時部分應(yīng)該是簡單的和輕負(fù)荷的,在RTLinux的實時內(nèi)核中完成;而非 實時部分,在Linux的用戶空間完成。因此RTLinux提過了多種內(nèi)核實時進程和Linux用戶空間進程間的通訊機制,最重要的是實時FIFO和共享 內(nèi)存。 實時FIFO是能夠被內(nèi)核實時進程和Linux用戶空間進程訪問的快進快出隊列,是一種單向的通訊機制,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: #include int rtf_create(unsigned int fifo， int size) 使用后應(yīng)該注銷實時FIFO通道: int rtf_destroy(unsigned int fifo) 在初始化實時FIFO通道后,RTLinux內(nèi)核的實時進程和Linux用戶空間的進程都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的POSIX函數(shù)open、read、 write和close等對實時FIFO通道進行訪問。內(nèi)核實時進程還可以使用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: #include void *mbuff_alloc(const char *name， int size) void mbuff_free(const char *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。函數(shù) mbuff_free將該塊共享內(nèi)存的訪問計數(shù)值減1,當(dāng)計數(shù)值為0時,該共享內(nèi)存被釋放。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)具有最低的延時,在系統(tǒng)內(nèi)核中只有少數(shù)的實時進程使用。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。 #include int rtl_request_irq(unsigned int irq， unsigned int (*handler) (unsigned int， struct pt_regs *)) int rtl_free_irq(unsigned int irq) 中斷驅(qū)動的線程可以使用喚醒和掛起函數(shù): int pthread_wakeup_np(pthread_t thread) int pthread_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喚醒該線程的執(zhí)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。 int rtl_get_soft_irq(void (*handler)(int， void*， struct pt_regs *)， const char* devname)分配一個虛中斷并安裝中斷處理函數(shù);void rtl_global_pend_irq(int ix) 激活虛中斷;void rtl_free_soft_irq(unsigned int irq) 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)存進行映射后,即可使用映射后的地址訪問該段物理內(nèi)存。應(yīng)用程序 只能在Linux進程中(即在應(yīng)用程序的init_module()模塊中)調(diào)用mmap,在實時進程中調(diào)用mmap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: #include void outb(unsigned int value， unsigned short port) void outb_p(unsigned int value， unsigned short port) 輸出一個字到端口: #include void outw(unsigned int value， unsigned short port) void outw_p(unsigned int value， unsigned short port) 從端口讀一個字節(jié): #include char inb(unsigned short port) char inb_p(unsigned short port) 從端口讀一個字: #include short inw(unsigned short port) short inw_p(unsigned short port) 其中帶后綴_p的函數(shù)使讀寫端口時有一個小的延時,這在快速的計算機訪問慢速的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; pthread_mutex_trylock //鎖定mutex,如果mutex已被鎖定,函數(shù)立即返回; pthread_mutex_unlock //解鎖mutex; 互斥信號類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL (default POSIX mutexes)和PTHREAD_MUTEX_SPINLOCK (spinlocks) 3 RTLinux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)于計算機的硬件中斷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: #include #include #include #include #include #include pthread_t thread; unsigned int intr_handler(unsigned int irq，struct pt_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 return 0; } void * start_routine(void *arg){ //實時線程 struct sched_param p; //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 } return 0; } int init_module(void) {//初始化模塊 int status; rtl_irqstate_t f; rtl_no_interrupts(f); //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， intr_handler); //設(shè)置硬件中斷7的處理程序 rtl_printf(″rtl_request_irq: %dn″， 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) rtl_restore_interrupts(f); //按照變量f恢復(fù)當(dāng)前的中斷狀態(tài)標(biāo)志,并使能中斷 return pthread_create (&thread， NULL， start_routine， 0);//創(chuàng)建實時進程thread } void cleanup_module(void) { //清除模塊 rtl_free_irq(7); //禁止中斷7 pthread_delete_np (thread); //刪除實時進程thread } 程序parport.c的make文件如下: all: parport.o include rtl.mk clean: rm -f *.o 按照如下命令對程序進行編譯: make 運行程序可采用以下命令: modprobe rtl_sched //調(diào)入所需的處理模塊 insmod parport.o //調(diào)入parport.o模塊 連接并口的2腳和10腳,即可通過示波器在并口的3腳上觀測到輸出的方波信號。 可以看到,RTLinux的實時程序被編寫成可加載的Linux內(nèi)核模塊,它能被動態(tài)地加入內(nèi)存,不能執(zhí)行Linux系統(tǒng)調(diào)用,模塊的初始化代碼對實時任務(wù)的結(jié)構(gòu)作初始化,把實時任務(wù)的時限、周期和釋放時間等實時參數(shù)傳遞給RTLinux。 通過對Linux最小的改動,提供一種可靠且廉價的硬實時操作系統(tǒng)RTLinux。RTLinux開發(fā)者可以充分利用Linux提供的各種方便 來編寫任務(wù)的非實時部分,加速自己的任務(wù)進度。目前RTLinux的最新版本為3.1，支持Linux2.4內(nèi)核,程序源代碼可以通過網(wǎng)站 http://www.rtlinux.org/免費下載。 參考文獻 1 http://www.rtlinux.org/documents.html 2 Alessandro R著, LISOLEG譯. Linux設(shè)備驅(qū)動程序.北京:中國電力出版社,2000.4 3 周巍松編著. Linux系統(tǒng)分析與高級編程技術(shù). 北京:機械工業(yè)出版社,1999.12 4 http://midas.psi.ch/rtlinux |
