解析Xenomai在實(shí)時(shí)Linux的應用

引 言

隨著(zhù)嵌入式設備的快速發(fā)展，嵌入式設備的功能和靈活性要求越來(lái)越高，很多嵌入式設備中都開(kāi)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(shí)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(shí)時(shí)或者是軟實(shí)時(shí)的，無(wú)法滿(mǎn)足需求，因此就必須使用實(shí)時(shí)操作系統（Real-TIme OperATIng System,RTOS）。

實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）是指當外界事件或數據產(chǎn)生時(shí)，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規定的時(shí)間之內來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程或對處理系統作出快速響應，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調一致運行的操作系統。因而，提供及時(shí)響應和高可靠性是其主要特點(diǎn)。實(shí)時(shí)操作系統有硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)之分，硬實(shí)時(shí)要求在規定的時(shí)間內必須完成操作，這是在操作系統設計時(shí)保證的；軟實(shí)時(shí)則只要按照任務(wù)的優(yōu)先級，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統在經(jīng)過(guò)一定改變之后就可以變成實(shí)時(shí)操作系統。

實(shí)時(shí)系統又有軟實(shí)時(shí)系統（soft real-time system）和硬實(shí)時(shí)系統（hard real-time sySTem）之分。軟實(shí)時(shí)系統是指那些在系統負荷較重時(shí)，允許發(fā)生錯過(guò)時(shí)限（deadline）的情況而且不會(huì )造成太大危害的系統，如電視會(huì )議系統；而硬實(shí)時(shí)系統是指那些對每個(gè)任務(wù)的調度時(shí)間要求非常嚴格的系統，如果不滿(mǎn)足時(shí)間限制的要求，則會(huì )給系統帶來(lái)毀滅性的后果。實(shí)時(shí)系統（Real-time operating system,RTOS）的正確性不僅依耐系統計算的邏輯結果，還依賴(lài)于產(chǎn)生這個(gè)結果的時(shí)間。實(shí)時(shí)系統能夠在指定或者確定的時(shí)間內完成系統功能和外部或內部、同步或異步時(shí)間做出響應的系統。因此實(shí)時(shí)系統應該在事先先定義的時(shí)間范圍內識別和處理離散事件的能力；系統能夠處理和儲存控制系統所需要的大量數據。

在嵌入式系統領(lǐng)域，實(shí)時(shí)系統的核心是實(shí)時(shí)操作系統。目前已有很多商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統，著(zhù)名的有WindRiver公司的VxWorks,其他的有QNX、pSOS+等。它們的優(yōu)點(diǎn)是具有非常好的穩定性、可靠性和實(shí)時(shí)性，但是一般價(jià)格昂貴且互不兼容，而且源代碼作為商業(yè)秘密而不公開(kāi)。

嵌入式實(shí)時(shí)系統的特點(diǎn)

一、時(shí)間約束性實(shí)時(shí)系統的任務(wù)具有一定的時(shí)間約束（截止時(shí)間）。根據截止時(shí)間，實(shí)時(shí)系統的實(shí)時(shí)性分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí).硬實(shí)時(shí)是指應用的時(shí)間需求能夠得到完全滿(mǎn)足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關(guān)鍵領(lǐng)域中的應用。軟實(shí)時(shí)是指某些應用雖然提出時(shí)間需求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對系統運行及環(huán)境不會(huì )造成嚴重影響，如監控系統等和信息采集系統等。

二、可預測性可預測性是指系統能夠對實(shí)時(shí)任務(wù)的執行時(shí)間進(jìn)行判斷，確定是否能夠滿(mǎn)足任務(wù)的時(shí)限要求。由于實(shí)時(shí)系統對時(shí)間約束要求的嚴格性，使可預測性稱(chēng)為實(shí)時(shí)系統的一項重要性能要求。除了要求硬件延遲的可預測性以外，還要求軟件系統的可預測性，包括應用程序的響應時(shí)間是可預測的，即在有限的時(shí)間內完成必須的工作；以及操作系統的可預測性，即實(shí)時(shí)原語(yǔ)、調度函數等運行開(kāi)銷(xiāo)應是有界的，以保證應用程序執行時(shí)間的有界性。

1 Linux 2.6內核的實(shí)時(shí)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(dòng)，開(kāi)發(fā)者對很多功能模塊的代碼都進(jìn)行了重寫(xiě)。最為顯著(zhù)的改進(jìn)是在影響系統實(shí)時(shí)性的進(jìn)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(gè)人PC或者小型服務(wù)器的操作系統，由于設計要求的針對性，導致了Linux無(wú)法提供硬實(shí)時(shí)環(huán)境，直接影響了它的硬實(shí)時(shí)性能。這主要表現在兩方面：

（1）進(jìn)程調度方式

Linux的進(jìn)程調度采用的是時(shí)間片輪轉調度策略。不論進(jìn)程優(yōu)先級的高低，Linux在某段時(shí)間內都會(huì )分配給該進(jìn)程一個(gè)時(shí)間片運行，也就是說(shuō)它的設計更注重任務(wù)調度的公平性。這種情況下，就會(huì )出現高優(yōu)先級進(jìn)程由于其時(shí)間片的耗盡而被迫放棄處理器，處理器被沒(méi)有耗盡時(shí)間片的低優(yōu)先級進(jìn)程所占用的現象。

（2）時(shí)鐘粒度粗糙

在Linux 2.6版本內核中，時(shí)鐘中斷發(fā)生的頻率范圍為50~1 200Hz,周期不小于0.8 ms,而工業(yè)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(shí)時(shí)性的問(wèn)題，目前的解決辦法主要有2種：

①對Linux內核的內部進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)鐘中斷）。

采用這種方法，實(shí)時(shí)化改造后的系統實(shí)時(shí)性較好，但是工作量大，并且可能會(huì )造成系統不穩定。最大的缺點(diǎn)是：原本在Linux上運行的設備驅動(dòng)程序和應用程序不能直接在改進(jìn)的內核上運行。典型代表有Kurt-Linux.

②對Linux內核的外部實(shí)時(shí)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(gè)硬件抽象層（Hardware Abstract Layer,HAL），系統所有的硬件中斷由這個(gè)抽象層控制。新創(chuàng )建一個(gè)內核專(zhuān)門(mén)用來(lái)調度實(shí)時(shí)進(jìn)程，而普通進(jìn)程通過(guò)原來(lái)的Linux內核進(jìn)行調度。

2 Xenomai原理與應用

2.1 Xenomai簡(jiǎn)介及其Adeos實(shí)現

Xenomai是一個(gè)自由軟件項目，提供了一個(gè)基于Linux的實(shí)時(shí)解決方案。它可以提供工業(yè)級RTOS的性能，而且完全遵守GNU/Linux自由軟件協(xié)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(shí)間的合作，期間開(kāi)發(fā)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(lái)。而從2.0.0版本開(kāi)始，Xenomai在硬件平臺的移植就一直是基于A(yíng)deos構架來(lái)實(shí)現的。

在基于A(yíng)deos的系統中，分為多個(gè)域。每個(gè)域中獨立運行一個(gè)操作系統（或者是實(shí)現一定功能的程序模塊），每個(gè)域可以有獨立的地址空間和類(lèi)似于進(jìn)程、虛擬內存等的軟件抽象層。在各個(gè)域下層有一個(gè)Adeos通過(guò)虛擬中斷等方法來(lái)調度上面的各個(gè)域。在基于A(yíng)deos的系統中，存在著(zhù)A、B、C、D四種類(lèi)型的交互，如圖1所示。

A類(lèi)交互是各個(gè)域直接操作硬件設備，包括訪(fǎng)問(wèn)內存等；B類(lèi)交互指當Adeos接收到硬件中斷后，會(huì )根據中斷來(lái)對相應的域進(jìn)行中斷服務(wù)；C類(lèi)交互指當前域內的操作系統主動(dòng)向Adeos請求某些服務(wù)；D類(lèi)交互是指Adeos接收硬件產(chǎn)生的中斷和異常，同時(shí)也可以直接控制硬件。

2.2 Xenomai用戶(hù)層實(shí)時(shí)的實(shí)現

Xenomai除了在內核層利用Adeos實(shí)現了硬實(shí)時(shí)外，它在用戶(hù)空間也有很好的實(shí)時(shí)性。在S3C2410平臺上，為了實(shí)現用戶(hù)層的實(shí)時(shí)，Xenomai實(shí)現了一個(gè)硬件計數器--Decrementer.這個(gè)硬件計數器可以在用戶(hù)空問(wèn)里很好地模擬TSC（Time Stamp Counter,時(shí)間戳計數器）。

同時(shí)，Xenomai在Linux內核中加入了一個(gè)全新的數據結構__ipipe_tscinfo,可以通過(guò)此數據結構變量存放用戶(hù)層需要的數據。該數據結構組成如下：

用戶(hù)層，應用程序通過(guò)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(yè)中。

內核通過(guò)函數_ipipe_mach_get_tscinfo來(lái)填充struct_ipipe_tscinfo結構體變量中的各項內容：

其中，info一>typte說(shuō)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(lái)將Decrementer計數器的物理地址設定為0x51000038;info一>u.dec.mask掩碼用來(lái)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(hù)層的實(shí)時(shí)程序運行時(shí)，程序都會(huì )通過(guò)系統調用得到內核填充好的struct_ipipe_tscinfo結構體變量。具體實(shí)現可參考編譯用戶(hù)層實(shí)時(shí)程序時(shí)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(shí)時(shí)，Xenomai的另一個(gè)目的是使基于Linux的實(shí)時(shí)操作系統能提供與傳統的工業(yè)級實(shí)時(shí)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(huán)境中，同時(shí)保持很好的實(shí)時(shí)性。

Xenomai的核心技術(shù)表現為使用一個(gè)實(shí)時(shí)微內核（real-time nucleus）來(lái)構建這些實(shí)時(shí)API,也稱(chēng)作skin.在實(shí)時(shí)核復用的基礎上，一個(gè)skin可以很好地模擬一種實(shí)時(shí)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(lèi)API都有著(zhù)同等的地位，都獨立地基于同一個(gè)實(shí)時(shí)微內核。這樣做可以讓內核的優(yōu)點(diǎn)被外層所有的API很好地繼承下來(lái)。更重要的是，實(shí)時(shí)微內核提供的服務(wù)被外層各種API以不同的方式表現出來(lái)，由此可以增強整個(gè)系統的強壯性。

編制實(shí)時(shí)程序時(shí)，在很多實(shí)時(shí)操作系統上只能在內核層實(shí)現；而編制實(shí)時(shí)內核模塊時(shí)，會(huì )受到內核的限制，比如有些實(shí)時(shí)內核不支持浮點(diǎn)運算，模塊出錯時(shí)容易使整個(gè)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(hù)層實(shí)時(shí)，這為編制實(shí)時(shí)性要求不是非常高的實(shí)時(shí)程序提供了一個(gè)有效途徑。下面這個(gè)用戶(hù)層實(shí)時(shí)例程使用的是Xenomai提供的Native API:

從程序中可以看出，Xenomai的用戶(hù)層實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求的工程應用。

3 總 結

本文首先簡(jiǎn)單介紹了實(shí)時(shí)操作系統，分析了Linux 2.6內核實(shí)時(shí)性能的不足；然后著(zhù)重介紹了一個(gè)Linux實(shí)時(shí)化的解決方案--Xenomai,分析了Xenomai的Adeos構架基礎，簡(jiǎn)要說(shuō)明了Xenomai用戶(hù)層實(shí)時(shí)的實(shí)現，以及Xenomai支持多種實(shí)時(shí)操作系統的API的新特點(diǎn)。Linux 2.6.35 Kernel引入了針對Radeon KMS開(kāi)源顯卡驅動(dòng)的ATI電源管理支持、新款I(lǐng)ntel GMA整合芯片組的Intel H.264 VA-API視頻加速支持、Radeon DRI2同步和交換功能、Btrfs文件系統改進(jìn)、網(wǎng)絡(luò )傳入負載處理器核心分布的RPS和RFS支持等等。

本文給出的Xenomai的用戶(hù)層實(shí)時(shí)例程已經(jīng)成功地在多個(gè)平臺上運行過(guò)，表明Xenomai用戶(hù)程序在多種硬件平臺上有很好的移植性。