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近年來,基于PC的嵌入式系統得到迅速的發展。在各種不同的操作系統中,由于Linux操作系統的廉價、源代碼的開放性以及系統的穩定性,使其在基于PC的嵌入式系統中的應用日益廣泛。RTLinux(RealTime Linux)[1]是 一種基于Linux的實時操作系統,是由FSMLabs公司(Finite State Machine Labs Inc.)推出的與Linux操作系統共存的硬實時操作系統。它能夠創建精確運行的符合POSIX.1b標準的實時進程;并且作為一種遵循GPL v2協議的開放軟件,可以在GPL v2協議許可范圍內自由地、免費地使用、修改和再發行。本文介紹了RTLinux的特點及功能,并結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操作系統中,調度算法(基于最大吞吐量準則)、設備驅動、不可中斷的系統調用、中斷屏蔽以及虛擬內存的使用等因素,都會導致系統在 時間上的不可預測性,決定了Linux操作系統不能處理硬實時任務。RTLinux為避免這些問題,在Linux內核與硬件之間增加了一個虛擬層(通常稱 作虛擬機),構筑了一個小的、時間上可預測的、與Linux內核分開的實時內核,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雜任務。 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系統與硬件中斷之間的直接聯系。當RTLinux虛擬層接收到與實時處理有關的硬件 中斷時,立即啟動執行相應的實時中斷服務程序;而接收到與實時處理無關的中斷時,先保存相應的信息,等到RTLinux內核空閑時通過軟中斷傳遞給 Linux內核去處理,這樣就使得RTLinux內核不受各種軟、硬件中斷的影響,不會造成時間上的不可預測性。同時又區別于其他的實時處理方案,它并未 對操作系統的內核作結構性的修改,因此并不會妨礙Linux操作系統的進一步發展和變化。 Linux采用基于最大吞吐量準則的調度策略,并不能確保各個實時進程的及時調度。而RTLinux在缺省情況下采用優先級的調度策略,即系統 調度器根據各個實時任務的優先級來確定執行的先后次序。優先級高的先執行,優先級低的后執行,這樣就保證了實時進程的迅速調度。同時RTLinux也支持 其它的調度策略,如最短時限最先調度(EDP)、確定周期調度(RM)(周期短的實時任務具有高的優先級)。RTLinux將任務調度器本身設計成一個可 裝載的內核模塊,用戶可以根據自己的實際需要,編寫適合自己的調度算法。 操作系統精確的定時機制,可以提高任務調度器的效率,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 定時器設計成10毫秒產生一次定時中斷的固定模式,而是根據最近事件(進程)的時間需要,不斷調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系統同時將各時間間隔相加,保持一個系統全局時間變量,并使用軟中斷的方式來模擬傳統的 100Hz定時中斷,將其傳遞給Linux系統使用。 1.2 完備性 過去,實時操作系統僅是一組原始的、簡單的可執行程序,它所做的僅僅是向應用程序提供一個程序庫。但如今,實時應用程序通常要求能夠支持 TCP/IP、圖形顯示、文件和數據庫系統及其它復雜的服務。為了滿足當今實時應用程序的多種需求,通常采用在實時控制內核上增加這些服務或完全修改標準 操作系統內核的方法,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核與Linux內核共存,用簡單的小型實時內核處理實時任 務,將非實時任務交給Linux內核去處理,而Linux內核本身也作為一個RTLinux實時內核在空閑時運行的進程。這種將實時系統和平均時間優化的 標準Linux操作系統協同工作的方式,使得許多實時應用都顯示出一種增效。實時內核中的實時任務可以直接訪問硬件,不使用虛擬內存,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,可以方便地使用系統提供的各種資源(網絡、文件系統等),并受到系統的保護,增加了系統的安全 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集。在此,僅對在嵌入式系統中最重要的三個方面:進程間的通訊、中斷和硬件設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要求將應用程序分成實時部分和非實時部分。應用程序的實時部分應該是簡單的和輕負荷的,在RTLinux的實時內核中完成;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 內存。 實時FIFO是能夠被內核實時進程和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構成雙向的數據交換方式。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內核的實時進程和Linux用戶空間的進程都可以使用標準的POSIX函數open、read、 write和close等對實時FIFO通道進行訪問。內核實時進程還可以使用RTLinux的專有函數rtf_put和rtf_get對實時FIFO通 道進行讀寫。 RTLinux共享內存由mbuff.o模塊支持,可以使用下面的函數分配和釋放共享內存塊: #include void *mbuff_alloc(const char *name， int size) void mbuff_free(const char *name， void *mbuf) 函數mbuff_alloc有兩個參數,共享內存名name和共享內存塊的大小size。如果指定的內存共享名并不存在,分配成功時返回共享內 存指針,訪問計數置為1,分配失敗時返回空指針;如果指定的內存共享名已經存在,返回該塊共享內存的指針,并將訪問計數值直接加1。函數 mbuff_free將該塊共享內存的訪問計數值減1,當計數值為0時,該共享內存被釋放。在實時內核模塊中使用該函數時,應該將函數 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,在系統內核中只有少數的實時進程使用。函數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) 中斷驅動的線程可以使用喚醒和掛起函數: int pthread_wakeup_np(pthread_t thread) int pthread_suspend_np(void) 一個中斷驅動的線程可以調用函數pthread_suspend_np(pthread_self())阻塞自身線程的執行,然后由中斷服務函 數調用函數pthread_wakeup_np喚醒該線程的執行,直到此線程再次調用函數 pthread_suspend_np(pthread_self())將自身掛起。 軟中斷是Linux內核常常使用的中斷,它能夠更安全地調用系統函數。無論如何,對于許多任務來說并不能提供硬實時性能,將會導致一定的延時。 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;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設備訪問物理內存,具體由模塊 rtl_posixio.o 提供此項功能。首先應用程序應該打開/dev/mem設備，通過函數mmap對某段物理內存進行映射后,即可使用映射后的地址訪問該段物理內存。應用程序 只能在Linux進程中(即在應用程序的init_module()模塊中)調用mmap,在實時進程中調用mmap將會失敗。另一種訪問物理內存的方法 是通過Linux的函數ioremap[2]。RTLinux 訪問I/O端口的函數如下(對于x86結構): 輸出一個字節到端口: #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: #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設備時是必需的。 2.3 線程同步 當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據的完整性。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函數組[3]。目前有以下函數可以使用: pthread_mutexattr_getpshared //得到指定屬性線程共享屬性值; pthread_mutexattr_setpshared //設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,阻塞當前線程直到解鎖; pthread_mutex_trylock //鎖定mutex,如果mutex已被鎖定,函數立即返回; 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 (并口的數據D0和D1)上周期輸出信號1,而對應硬件中斷7的實時中斷服務程序將在并口的2、3腳輸出信號0。連接并口的2腳和10腳(并口的確認信號 線,對應于計算機的硬件中斷7),則可在并口的2、3腳上產生一個方波信號。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){//中斷服務函數 outb(0， 0x378); //輸出字節0到并口數據線 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的數據結構 p. sched_priority = 1; //設置優先級為1 pthread_setschedparam (pthread_self()， SCHED_FIFO， &p);//設置實時線程的控制參數 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); //實時線程周期執行,輸出3到并口數據線 } return 0; } int init_module(void) {//初始化模塊 int status; rtl_irqstate_t f; rtl_no_interrupts(f); //保存當前的中斷狀態標志到變量f,并禁止中斷 status=rtl_request_irq(7， intr_handler); //設置硬件中斷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恢復當前的中斷狀態標志,并使能中斷 return pthread_create (&thread， NULL， start_routine， 0);//創建實時進程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 //調入所需的處理模塊 insmod parport.o //調入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內核模塊,它能被動態地加入內存,不能執行Linux系統調用,模塊的初始化代碼對實時任務的結構作初始化,把實時任務的時限、周期和釋放時間等實時參數傳遞給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RTLinux。RTLinux開發者可以充分利用Linux提供的各種方便 來編寫任務的非實時部分,加速自己的任務進度。目前RTLinux的最新版本為3.1，支持Linux2.4內核,程序源代碼可以通過網站 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設備驅動程序.北京:中國電力出版社,2000.4 3 周巍松編著. Linux系統分析與高級編程技術. 北京:機械工業出版社,1999.12 4 http://midas.psi.ch/rtlinux |
