基于RTAI的嵌入式Linux硬實(shí)時(shí)性能的研究

0 引言

Linux是一種能運行于多種平臺、源代碼公開(kāi)、免費、功能強大、遵守POSIX標準、與Unix兼容的操作系統。隨著(zhù)嵌入式系統的不斷發(fā)展和應用，嵌入式Linux操作系統也在各方面得到了廣泛的應用。但是，作為通用操作系統的Linux，要應用在嵌入式領(lǐng)域，需要作必要的改進(jìn)。在電能質(zhì)量監控等對實(shí)時(shí)性要求較高的領(lǐng)域，需要將最初按照分時(shí)系統目標設計的Linux改造成能支持硬實(shí)時(shí)性的操作系統。

uClinux操作系統是Linux操作系統的一個(gè)嵌入式變種，它作為一種優(yōu)秀的嵌入式操作系統具有很好的穩定性和優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò )性能，但是它的實(shí)時(shí)性差,尤其不支持硬實(shí)時(shí)任務(wù)的特點(diǎn)卻極大地限制了其應用。本文利用RTAI對uClinux的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了擴展，并應用于電能質(zhì)量監控實(shí)驗平臺，對系統改造前后的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了對比分析。

1 嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性分析和擴展

實(shí)時(shí)系統分為兩類(lèi)，分別為軟實(shí)時(shí)（Soft Real-Time）和硬實(shí)時(shí)（Hard Real-Time）。軟實(shí)時(shí)是統計意義上的實(shí)時(shí)，并不能保證特定的任務(wù)在特定的時(shí)間內完成，即便是處理時(shí)間超過(guò)了截止時(shí)間，結果也是有意義的。而硬實(shí)時(shí)是時(shí)間要求必須嚴格保證的實(shí)時(shí)，如果系統對某個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的處理未能在某個(gè)截止時(shí)間開(kāi)始或者結束的話(huà)，會(huì )產(chǎn)生不可預料的后果。因此，硬實(shí)時(shí)才是真正意義上的實(shí)時(shí)。Linux雖然也可采取基于優(yōu)先級的調度策略，并且也將進(jìn)程分為實(shí)時(shí)進(jìn)程和非實(shí)時(shí)進(jìn)程，但是Linux的以下幾點(diǎn)特征決定了其本身很難完成硬實(shí)時(shí)的任務(wù)：

1） Linux的內核是不可搶占的。如果Linux的核心態(tài)進(jìn)程在運行時(shí)，其他進(jìn)程不管優(yōu)先級多高都需要等待處于核心態(tài)的系統調用返回后才能執行。

2） 為了保護臨界區資源，互斥的訪(fǎng)問(wèn)臨界區，Linux采用在臨界區操作時(shí)屏蔽中斷的方式，這抑制了系統及時(shí)響應外部操作的能力。

3） Linux內核（2.6版本以前）采用了較大時(shí)間粒度的定時(shí)器，時(shí)鐘中斷周期為10ms，加大了任務(wù)響應的延遲，無(wú)法滿(mǎn)足對時(shí)間精度要求苛刻的實(shí)時(shí)應用。

目前實(shí)現Linux系統的硬實(shí)性的方法，依據是否對Linux的內核進(jìn)行大規模修改，可以大致分為兩類(lèi)：對內核進(jìn)行大規模修改的兼容內核方法和對內核進(jìn)行小規模改動(dòng)的雙內核方法。后者由于對內核改動(dòng)小，效果明顯且遵守GPL得到了更加廣泛的推廣。它在Linux內核之外，以可加載內核模塊（Loadable Kernel Module）的形式添加實(shí)時(shí)內核，并用該實(shí)時(shí)內核接管來(lái)自硬件的所有中斷，并依據是否是實(shí)時(shí)任務(wù)決定是否直接響應。這種方法的代表就是新墨西哥州立大學(xué)的FSM實(shí)驗室推出的RT－Linux和由意大利米蘭理工學(xué)院航天工程系發(fā)起的RTAI。

2 RTAI的實(shí)現機制

RTAI是實(shí)時(shí)應用接口Real Time Application Interface的縮寫(xiě)。它在Linux上定義了一組實(shí)時(shí)硬件抽象層RTHAL（Real Time Hardware Abstraction Layer），RTHAL將所有需要的Linux內部數據和函數的指針集合到一個(gè)rthal的結構中。Rthal結構用于截取Linux硬件操作，在雙內核結構工作時(shí)，它們可以被RTAI重定向，以取代Linux中原有的函數；同時(shí)RTAI只是用此程序界面與Linux進(jìn)行溝通。通過(guò)這種方法就可以把對Linux內核源碼的改動(dòng)程度降到最低，可以避免RT－Linux方案對Linux內核源碼改動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，便于在不同Linux版本之間的移植。

RTAI嚴格來(lái)說(shuō)只是一個(gè)具備了操作系統核心功能的實(shí)時(shí)的系統內核，它接管了所有的硬件資源，將Linux操作系統內核作為它的一個(gè)低優(yōu)先級的任務(wù)來(lái)運行。RTAI 是一個(gè)完全的占先式內核，它具備了實(shí)時(shí)操作系統的諸多特性，如實(shí)時(shí)的中斷響應，任務(wù)對事件的實(shí)時(shí)響應，細粒度的原子操作等。在RTAI/Linux雙內核結構下，實(shí)時(shí)性的任務(wù)在RTAI的調度下運行，非實(shí)時(shí)性和需要利用完善的操作系統功能的任務(wù)在Linux調度下運行。由于Linux操作系統在RTAI下具有的優(yōu)先級很低，當且僅當RTAI沒(méi)有實(shí)時(shí)任務(wù)調度時(shí)，Linux才能夠得到運行。RTAI/Linux雙內核結構如圖1所示。

圖1 RTAI/Linux雙內核結構圖

Fig1 Architecture of the RTAI/Linux system

RTAI以L(fǎng)inux的內核模塊的形式運行，提供雙內核的實(shí)時(shí)服務(wù)。最基本的兩個(gè)模塊是rtai_module和rtai_sched_module，另外還有三個(gè)增強功能的模塊rtai_fifos_module、rtai_shm_module和rtai_lxrt_module。

rtai_module是一個(gè)核心模塊，RTHAL在這一模塊里實(shí)現，完成對硬件的接管。以關(guān)硬件中斷行為為例說(shuō)明，Linux系統中原有的關(guān)中斷函數#define _cli_asm_volatile_(“cli”:::”memory”)直接通過(guò)匯編語(yǔ)言對硬件進(jìn)行操作，而在rtai_module模塊中，Linux中的關(guān)中斷函數被替換為執行{processor[hard_cpu_id()].intr_flag = 0;}?？梢?jiàn)，Linux關(guān)中斷的執行只是改變了RTAI中的中斷標志位，并沒(méi)有直接對硬件進(jìn)行操作。

rtai_sched_module模塊主要實(shí)現一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)調度，調度器基于優(yōu)先級且為可搶占式的；rtai_fifos_module是管道先入先出模塊，負責實(shí)時(shí)應用與Linux應用之間的通訊；rtai_shm_module模塊實(shí)現共享內存的通訊方式；rtai_lxrt_module允許在用戶(hù)空間使用RTAI的系統服務(wù)和調度期。

3 嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性實(shí)驗測試與分析

3.1 電能質(zhì)量監控實(shí)驗平臺

電能質(zhì)量問(wèn)題在電能的生產(chǎn)以及消費單位越來(lái)越得到關(guān)注，這就要求有更加先進(jìn)的電能質(zhì)量監測、控制裝置與其配套。在線(xiàn)式電能質(zhì)量監測設備更多的投入了使用，這些設備大多采用嵌入式的系統結構，在惡劣的條件下完成現場(chǎng)數據采集、運算、控制以及通訊等一系列的任務(wù)。這些任務(wù)必須滿(mǎn)足嚴格的時(shí)序關(guān)系，并且需要有很高的響應速度，因此對于系統實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。一個(gè)典型的基于嵌入式Linux的在線(xiàn)式電能質(zhì)量監控器硬件結構框圖如圖2所示：

圖2 在線(xiàn)式電能質(zhì)量監控系統結構圖

Fig2 Architecture of an online power quality monitoring and control system

實(shí)驗平臺選用Freescale的MCF5249嵌入式微處理器完成了一套如圖2所示的在線(xiàn)式電能質(zhì)量監控系統，微處理器內部工作頻率為120Mhz，性能達125 Dhrystone 2.1 MIPS,外配4M FLASH和8M SDRAM存儲器。軟件方面，成功移植RTAI－uClinux雙內核系統至此硬件平臺，并且針對實(shí)際應用對系統的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了測試和分析。

3.2 時(shí)間分辨率測試

電能質(zhì)量監控系統需要周期性的對A/D轉換芯片進(jìn)行采樣，并且某些實(shí)時(shí)性較強的控制算法要求核心任務(wù)被重新調度的周期很短，因此系統對周期性實(shí)時(shí)任務(wù)的支持非常重要。

進(jìn)行實(shí)驗如下：分別在uClinux和RTAI－uClinux下利用定時(shí)函數設計周期性的高優(yōu)先級任務(wù)，每一周期切換一次I/O口的電平，找出各自可分辨的穩定的最小任務(wù)周期。

在處理器中等負荷條件下，實(shí)驗結果如表1所示：

表1 時(shí)間分辨率實(shí)驗結果分析表

Table1 Analysis of the time resolution experiment

例如，在RTAI－uClinux系統中在不同的定時(shí)周期下的實(shí)驗波形圖如圖3圖4所示。當定時(shí)周期較大時(shí)系統穩定運行，而過(guò)小的定時(shí)周期（50us）會(huì )使系統運行變得不穩定。

圖3 定時(shí)周期大于100微妙時(shí)的試驗波形圖

Fig3 Oscillogram of the system output when cycle > 100us

圖4 定時(shí)周期小于50微妙時(shí)的試驗波形圖

Fig4 Oscillogram of the system output when cycle 50us