RTlinux的介紹

RTLinux程序運行于用戶(hù)空間和內核態(tài)兩個(gè)空間。RTLinux提供了應用程序接口。借助這些API函數將實(shí)時(shí)處理部分編寫(xiě)成內核模塊，并裝載到RTLinux內核中，運行于RTLinux的內核態(tài)。非實(shí)時(shí)部分的應用程序則在Linux下的用戶(hù)空間中執行。這樣可以發(fā)揮Linux對網(wǎng)絡(luò )和數據庫的強大支持功能。

軟實(shí)時(shí)的實(shí)現:

RTLinux通過(guò)一個(gè)高效的、可搶先的實(shí)時(shí)調度核心來(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)先級最低的進(jìn)程運行。當有實(shí)時(shí)任務(wù)需要處理時(shí)，RTLinux運行實(shí)時(shí)任務(wù);無(wú)實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，RTLinux運行Linux的非實(shí)時(shí)進(jìn)程。其系統結構見(jiàn)圖1。

圖4 RTLinux系統結構圖

在Linux進(jìn)程和硬件中斷之間,本來(lái)由Linux內核完全控制,現在在Linux內核和硬件中斷的地方加上了一個(gè)RTLinux內核的控制。Linux的控制信號都要先交給RTLinux內核進(jìn)行處理。在RTLinux內核中實(shí)現了一個(gè)虛擬中斷機制,Linux本身永遠不能屏蔽中斷,它發(fā)出的中斷屏蔽信號和打開(kāi)中斷信號都修改成向RTLinux發(fā)送一個(gè)信號。如在Linux里面使用“SI”和“CLI”宏指令,讓RTLinux里面的某些標記做了修改。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(lèi)。如果RTLinux內核接收到的中斷信號是普通Linux中斷,那就設置一個(gè)標志位;如果是實(shí)時(shí)中斷,就繼續向硬件發(fā)出中斷。在RTLinux中執行STI將中斷打開(kāi)之后,那些設置了標志位表示的Linux中斷就繼續執行,因此,CLI并不能禁止RTLinux內核的運行,卻可以用來(lái)中斷Linux。Linux不能中斷自己,而RTLinux可以。

RTLinux在默認的情況下采用優(yōu)先級的調度策略，即系統調度器根據各個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級來(lái)確定執行的先后次序。優(yōu)先級高的先執行，優(yōu)先級低的后執行，這樣就保證了實(shí)時(shí)進(jìn)程的迅速調度。同時(shí)RTLinux也支持其它的調度策略，如最短時(shí)限最先調度(EDP)、確定周期調度(RM)(周期段的實(shí)時(shí)任務(wù)具有高的優(yōu)先級)。RTLinux將任務(wù)調度器本身設計成一個(gè)可裝載的內核模塊，用戶(hù)可以根據自己的實(shí)際需要，編寫(xiě)適合自己的調度算法。

對于一個(gè)操作系統而言，精確的定時(shí)機制雖然可以提高任務(wù)調度器的效率，但會(huì )增加CPU處理定時(shí)中斷的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。RTLinux對時(shí)間精度和時(shí)鐘中斷處理的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行了折中考慮。不是像Linux那樣將8254定時(shí)器設計成10ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷的固定模式，而是將定時(shí)器芯片設置為終端計時(shí)中斷方式。根據最近的進(jìn)程的時(shí)間需要，不斷調整定時(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(xiāo)又最小。

5.RTLinux的主要功能

RTLinux提供了一整套對硬實(shí)時(shí)進(jìn)程的支持函數集。在此，對在嵌入式系統中的實(shí)現加以闡述。

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cli、sti和IRet的所有地方都用仿真宏：S_CLI、S_STI和S_IRET來(lái)替換。所有的硬件中斷就都被仿真器所截獲。

當需要關(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(kāi)中斷)，就立即調用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 )被調用，而是在保存著(zhù)所有掛起中斷的信息的變量的相應位置1。當LINUX重新開(kāi)中斷，所有掛起中斷的處理程序都會(huì )被執行。這種仿真方式可以稱(chēng)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)由核心控制的調度程序的調度下執行的用戶(hù)定義的程序。

RT-LINUX最初將實(shí)時(shí)任務(wù)設計成ELF格式的目標文件。這一設計方案的最大缺點(diǎn)就是性能比較差。原因在于，第一，486的緩存是虛擬的。所以每當頁(yè)表目錄的基址寄存器改變時(shí)，TLB(轉換后備緩沖器)就會(huì )失效。由于實(shí)時(shí)任務(wù)的上下文轉換頻繁，所以TLB的頻繁失效就導致系統性能的嚴重下降。第二，486的保護級別變換耗時(shí)不少。比如，陷入更高級別時(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)也消除了變換保護級別的消耗，而且任務(wù)轉換也變得相當容易。

c.進(jìn)程調度

實(shí)時(shí)系統的進(jìn)程調度的主要任務(wù)就是滿(mǎn)足實(shí)時(shí)任務(wù)在時(shí)間上的要求。調度算法的種類(lèi)很多，沒(méi)有一個(gè)策略是放之四海而皆準的，因此采用哪種算法要取決于具體應用。

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

RT-LINUX自帶的是一個(gè)基于優(yōu)先數的搶占式調度程序。此調度程序將LINUX當作具有最低優(yōu)先數的實(shí)時(shí)任務(wù)。因此，LINUX只在實(shí)時(shí)系統無(wú)任何實(shí)時(shí)任務(wù)是才運行。在從LINUX切換到實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，系統記下軟中斷的狀態(tài)并禁止軟中斷。在切換回來(lái)實(shí)，再恢復軟中斷的狀態(tài)。

d.時(shí)鐘

調度程序需要精確的時(shí)鐘才能準確操作。調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 )引起預定調度的偏差，導致產(chǎn)生被稱(chēng)為任務(wù)發(fā)布抖動(dòng)的現象。這是一種應該盡量避免的不良現象。

RT-LINUX的解決辦法是，將IBM PC兼容機中的時(shí)鐘芯片Intel 8254設置為中斷開(kāi)啟終端計數模式。在這種模式下，精度可以達到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

由于標準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(wú)法安全地調用LINUX的程序。但是總要有一個(gè)信息交換的機制。

在RT-LINUX中所用的信息交換方式是RT-FIFO(實(shí)時(shí)隊列)。它與UNIX的管道非常相似，都是一個(gè)無(wú)結構的數據流。通過(guò)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。

對于一個(gè)普通的進(jìn)程來(lái)說(shuō)，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