RTLinux下的一種實(shí)時(shí)應用通信機制

關(guān)鍵詞：RTLinux 通信接口 實(shí)時(shí) 共享內存 RT_FIFO

實(shí)時(shí)性是多任務(wù)嵌入式系統的基本特征之一，主要表現為對重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統籌兼顧的合理調度能力。根據應用系統對時(shí)限要求的嚴格程度又分為軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)。

RTLinux作為L(cháng)inux最為通用的幾種硬實(shí)時(shí)擴展之一，表現了良好的硬實(shí)時(shí)性。同時(shí)，為了更有效地為各種實(shí)時(shí)應用服務(wù)，提供了多種與Linux中非實(shí)時(shí)進(jìn)行通信的接口，主要有共享內存、RT_FIFO和線(xiàn)程信號驅動(dòng)機制，三者的應用重點(diǎn)各不相同。其中前兩種較為常用[1]。由于不的實(shí)現機理，這兩種接口的應用范疇各有側重。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，筆者認為將以上兩種接口有機地結合，利用共享內存傳送大容量、對讀/寫(xiě)時(shí)序要求不高的數據信息；同時(shí)，利用RT_FIFO輔助實(shí)現對該共享內存的同步控制，能夠綜合兩者的優(yōu)勢，是RTLinux下一種十分有效的實(shí)時(shí)應用通信模式。

1 RTLinux的結構和應用程序開(kāi)發(fā)模式

作為L(cháng)inux的硬實(shí)時(shí)擴展，RTLinux一個(gè)重要的計準則在于：盡可能多地利用Linux內核所能提供的功能[2]。

顯示、記錄、設備初始化、阻塞式動(dòng)態(tài)資源分配和模塊化內核管理等無(wú)實(shí)時(shí)要求或者與硬實(shí)時(shí)性要求相悖的服務(wù)均由Linux提供。RTLinux內核則主要為實(shí)時(shí)任務(wù)提供對硬件的直接訪(fǎng)問(wèn)，使得它們具有最小的延遲和最優(yōu)先的處理器利用權。

基于以上準則，RTLinux中的實(shí)時(shí)應用程序開(kāi)發(fā)通常具有一個(gè)通用的模式，如圖1所示。按照運行環(huán)境和對實(shí)時(shí)要求的嚴格程度分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩個(gè)模塊。非實(shí)時(shí)模塊的功能包括結果數據顯示。用戶(hù)交互、數據存儲等；實(shí)時(shí)模塊主要負責響應數據采集外設的中斷，結果數據的采集。兩者通過(guò)RT_FIFO或者共享內存進(jìn)行通信，組成一個(gè)完整的實(shí)時(shí)數據采集程序。

2 RTLinux中的兩種通信接口

RTLinux提供了RT_FIFO和共享內存兩種標準通信接口，用于實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)之間的交互。

2.1 RT_FIFO

RT_FIFO（First-In-First-Out，先進(jìn)先出）是一種提案隊列機制組織的字符設備。在Linux文件系統中，主設備號為150。一個(gè)系統平臺中能夠同加載FIFO的模塊數RTF_NO定義在rt_fifo_new.c中，一般為64，在文件系統中分別對慶設備文件/dev/rtf0..63。在系統資源允許的情況下，一個(gè)用戶(hù)進(jìn)程所能同時(shí)使用的FIFO數和每個(gè)FIFO的容量是沒(méi)限制的。

RT_FIFO具有如下特征：

*隊列中的數據傳送采用數據流形式，必須自行定義數據邊界監測機制，尤其對于不定長(cháng)度數據的傳輸。

*具備完善的同步阻塞機制，利用同一FIFO進(jìn)行通信的兩進(jìn)程間無(wú)需自行增加同步控制。

*一種點(diǎn)對點(diǎn)的通信通道，不支持單生產(chǎn)者、多消費者的使用模式。

作為一個(gè)完善的隊列模塊，RT_FIFO的使用簡(jiǎn)便易行，具體實(shí)現主要包括創(chuàng )建、讀/寫(xiě)操作、釋放三個(gè)步驟。在Linux文件系統中，RT_FIFO是一個(gè)字符設備文件，所以在非實(shí)時(shí)線(xiàn)程中訪(fǎng)問(wèn)RT_FIFO時(shí)，使用標準的字符設備讀/寫(xiě)函數即可（read、write、open、close，etc）。以上函數的調用方式均為阻塞式調用：當FIFO中有數據可讀時(shí)，立即返回；否則，會(huì )陷入無(wú)限等待之中。

從RT進(jìn)程中訪(fǎng)問(wèn)RT_FIFO，所涉及到的RTLAPI如下：

#includertl_fifo.h>

[創(chuàng )建]

int rtf_create(unsigned int fifo,int size);

內核空間中，為編號fifo的RT_FIFO設備分配size字節的緩沖區。fifo對應于所使用RT_FIFO的次設備號。

[釋放]

int rtf_destroy(unsigned int fifo)；

釋放內核空間中次設備號為fifo的RT_FIFO設備緩沖區。

注意：以上兩個(gè)函數涉及到內核空間的緩沖區分配，必須分別在Linux的init_module（）和cleanup_module()中調用，或者在用戶(hù)空間通過(guò)PSC（the user-level real-time signal library,用戶(hù)級實(shí)時(shí)庫函數）進(jìn)行調用。

[讀/寫(xiě)操作]

int rtl_get(unsigned int fifo,char *buf,int count)；

從FIFO中讀出長(cháng)度為count字節的數據，存放buf之中。

Int rtf_put（unsigned int fifo,char * buf,int count）；

將長(cháng)度為count字節的數據寫(xiě)入FIFO中。

Int rtf_create_handle(unsigned int fifo,int(handler)(unsigned int fifo))；

創(chuàng )建一個(gè)回調函數句柄，當FIFO被Linux進(jìn)程讀/寫(xiě)時(shí)，被調用。通常與rtl_get結合使用，用于異步的從Linux進(jìn)程中接收數據，從而避免采用輪詢(xún)的方式。

2.2 共享內存

共享內存是指被閑置出來(lái)專(zhuān)用于內核空間和用戶(hù)空間進(jìn)行通信的內存區域。相對于FIFO具有如下特點(diǎn)：

*應用程序必須自己定義相應的協(xié)議，對于寫(xiě)入共享數據區域的有數據進(jìn)行保護，如同步控制等。

*數據可以既定格式讀/寫(xiě)，各個(gè)數據域的更新十分便易。

*不是點(diǎn)對點(diǎn)的通信通道，可以支持多生產(chǎn)者、多消費者的使用模式，能夠同時(shí)被多個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)。

在RTLinux下，共享內存的使用可采用以下兩種方式：

（1）利用RTLinux中附帶的mbuff模塊

在使用mbuff之前，要求系統中已經(jīng)加載了mbuff.o模塊。該模塊中的兩個(gè)函數被分別用于分配和釋放所需的內存空間。

#includembuff.h>

[分配]

void * mbuff_alloc(const char * name,int size)；

從內核空間中分配一塊與name相連，大小為size字節的內存空間，返回地址指針，設備這塊空間的引用標識為1。如與name相連的內存空間已經(jīng)存在，就僅僅返回指向該空間的地址指針，同時(shí)將其引用標識加1。

[釋放]

void mbuff_free(const char * name,int size)；

將mbuff的引用標識減1。當引用標識被減為0時(shí)，釋放mbuff。

注意：①mbuff_alloc使用了vmalloc函數，由于分配內核空間的需要，會(huì )交換出一系列的內核空間頁(yè)面，所以在實(shí)時(shí)線(xiàn)程、中斷處理線(xiàn)程、定時(shí)器中斷線(xiàn)程中調用這個(gè)函數是十分危險的。

②在進(jìn)程結束前，一定要調用mbuff_free函數。Mbuff所占內存空間不會(huì )因為其引用進(jìn)程的結束而自行釋放。

（2）高地址空間物理內存的直接隔離

在系統啟動(dòng)時(shí)，隔離出一定大小的高地址空間物理內存，使其脫離系統運行環(huán)境，作為專(zhuān)用的共享內存區域。

圖4 共享內存互斥操作流程圖

在Linux啟動(dòng)配置文件中，插入一行以append關(guān)鍵字起始的命令行，即可實(shí)現高端內存空間的隔離。修改后的/etc/lilo.conf文件如下所示：

image=/boot/zImage

label=rtlinuxX.X

root=/dev/hda2

read_only

append=“mem=Xm”

其中，mem的值對應于被隔離空間的起始地址，可以由物理內存總容量減去所需共享空間容量得到。但是必須注意，被隔離出的共享空間的容量必須小于/usr/include/asm/param.h文件中定義的頁(yè)面長(cháng)度。Intel Pentium系列芯片的頁(yè)面長(cháng)度為4MB。

對共享內存空間的存取操作通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)其基址來(lái)實(shí)現。必須首先定義共享內存空間的基址。

#define BASE_ADDRESS(1270x100000)

在實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)模塊中有不同的基址訪(fǎng)問(wèn)方法。寫(xiě)時(shí)模塊運行于內核地址空間，可以直接將基址作為地址指針進(jìn)行存取，使用語(yǔ)句如下：

unsigned short * sharemem;

sharemem=(unsigned short *)__va(BASE_ADDRESS);

非實(shí)時(shí)模塊運行于用戶(hù)地址空間，必須先將該物理地址映射入該進(jìn)程虛擬地址空間后，才能對其進(jìn)行存取。使用命令如下：

#includeunistd.h>

#includefcntl.h>

#includesys/mman.h>

int fd；

unsigned short * sharemem；

fd=open("/dev/mem",O_RDWR); ①

sharemem=(unsigned short *)mmap(0,buflen,

PROT_READ|PROT_WRITE,

MAP_FILE|MAP_SHARED,

Fd,BASE_ADDRESS); ②

注①：訪(fǎng)問(wèn)物理內存必須打開(kāi)與其對應的設備文件/dev/mem。

注②：mmap命令的作用是將設備文件fd中，從當前進(jìn)程的虛擬地址空間，其返回值可被非實(shí)時(shí)進(jìn)程存取。

以上兩種方式在實(shí)現機理上的不同之處在于，mbuff利用vmalloc從內核地址空間分配的共享內存空間僅僅在邏輯上連續，空間的大小不受實(shí)際物理內存空間的限制；而直接隔離物理內存所獲取的緩沖區物理上連續，但是大小受到物理內存空間和當前系統狀況的限制。共同之處在于，所獲得的內存均被隔離于系統內核的運行環(huán)境之外，不會(huì )在頁(yè)面交換中被換出，所以以上兩種方法均適用于實(shí)時(shí)應用之中。

3 兩種通信接口的結合

以上兩種通信接口具有不同的適用范疇，為了實(shí)現一個(gè)完整的實(shí)時(shí)應用，通常需要將兩者結合，以一個(gè)實(shí)時(shí)數據采集程序為例，實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊之間通常需要傳送兩種類(lèi)型的數據；結果數據和控制信息。

結果數據：由實(shí)時(shí)模塊周期性產(chǎn)生。非實(shí)時(shí)模塊用于顯示和存儲，對讀/寫(xiě)的時(shí)序性要求不高，但是通常需要由多個(gè)用戶(hù)共享，因此，利用共享內存模塊傳輸比較適合。

控制信息：主要用于實(shí)現非實(shí)時(shí)模塊和實(shí)時(shí)模塊之間的交互控制，數據量小，但是比較注重信號讀/寫(xiě)的時(shí)序性和通信過(guò)程中實(shí)時(shí)性，采用RT_FIFO實(shí)現比較適合。

圖2為通用的抽象數據流圖。

3.1 共享內存的內步控制和RT_FIFO的使用

由于對共享內存的存取通過(guò)直接訪(fǎng)問(wèn)指針來(lái)實(shí)現，操作系統不會(huì )為其提供任何同步控制，應用程序必須自行提供握手機制，來(lái)保證讀/寫(xiě)進(jìn)程之間同步。

實(shí)現同步的一種方式是接收方和發(fā)送方利用消息通信來(lái)實(shí)現握手。接收方對共享內存以輪詢(xún)的方式監測新數據的到來(lái)，然后發(fā)送接收信息。為了實(shí)現握手，發(fā)送方對于每條接收消息都必須回復一個(gè)確認消息，新的接收消息只有在收到確認消息以后才能發(fā)出。

這種方式在實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊中均須要采用輪詢(xún)的方式監測新數據和消息的到來(lái)，因此會(huì )占用較多的處理器資源。所以，可以考慮利用RT_FIFO實(shí)現實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊之間對共享內存的存取同步。利用RT_FIFO所提供的句柄功能能夠避免實(shí)時(shí)模塊對接收消息的輪詢(xún)監測，在一定程度上提高程序運行效率。

具體實(shí)現，可以通過(guò)利用RT_FIFO實(shí)時(shí)傳輸當前所寫(xiě)入或被讀出的共享內存塊序號，實(shí)現實(shí)時(shí)進(jìn)程和非實(shí)時(shí)進(jìn)程之間的步。因為RT_FIFO是一種單向傳輸隊列，為了實(shí)現交互，需要兩個(gè)傳輸方向相反的RT_FIFO，連接于兩個(gè)模塊之間，如圖3所示。

圖3中，BufNo為筆者自行定義的隊列。它的使用主要是為了避免由于RT_FIFO引起的實(shí)時(shí)部分和非實(shí)時(shí)部分之間的死鎖。

實(shí)時(shí)部分和非實(shí)時(shí)部分的各線(xiàn)程路之間對共享內存的訪(fǎng)問(wèn)為異步進(jìn)行；同時(shí)，RTLinux中對RT_FIFO的進(jìn)行讀/寫(xiě)的API函數，為阻塞式操作。當FIFO0中目前沒(méi)有可讀數據時(shí)，對rtf_get函數的調用會(huì )使程序陷入無(wú)限等待之中，很容易造成實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊之間的死鎖。

為了避免這種情況，可以將BufNo作為緩沖區與FIFO0的句柄結合使用，臨時(shí)存放FIFO0中被非實(shí)時(shí)線(xiàn)程寫(xiě)入的塊序號。實(shí)時(shí)模塊不再對FIFO0進(jìn)行讀/寫(xiě)，而是改由BufNo隊列中獲取當前有效的共享內存序號。如果當前無(wú)可用數據，則進(jìn)入周期等待狀態(tài)。

3.2 共享內存訪(fǎng)問(wèn)的互斥

對共享內存訪(fǎng)問(wèn)的互斥操作，包括兩個(gè)方面：實(shí)時(shí)模塊與非實(shí)時(shí)模塊之間的互斥、非實(shí)時(shí)模塊中各采集線(xiàn)程之間的互斥。

（1）實(shí)時(shí)模塊與非實(shí)時(shí)模塊之間的互斥

多線(xiàn)程之間對共享資源訪(fǎng)問(wèn)的互斥，是操作系統中一個(gè)重要的研究分支。但是在實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊之間，問(wèn)題變得相對簡(jiǎn)單。因為，在實(shí)時(shí)進(jìn)程和非實(shí)時(shí)進(jìn)程之中，實(shí)時(shí)進(jìn)程和非實(shí)時(shí)進(jìn)程運行的環(huán)境區別很大。工作于RTLinux環(huán)境下的實(shí)時(shí)進(jìn)程具有最高的優(yōu)先級，不可能被非實(shí)時(shí)進(jìn)程中斷。所以，在實(shí)現互斥時(shí)，只須保護非實(shí)時(shí)進(jìn)程對共享資源的訪(fǎng)問(wèn)即可。

抽象流程如圖4所示。利用共享內存區域的第一個(gè)字節作為訪(fǎng)問(wèn)標識，實(shí)現非實(shí)時(shí)模塊對實(shí)時(shí)模塊的互斥。

非實(shí)時(shí)進(jìn)程開(kāi)始訪(fǎng)問(wèn)共享區域時(shí)，將此標識置位；訪(fǎng)問(wèn)結束時(shí)，復位。實(shí)時(shí)進(jìn)程在訪(fǎng)問(wèn)共享區域前先檢測該標識，如果標識允許訪(fǎng)問(wèn)，則執行寫(xiě)入操作；反之，掛起等待標識位復位，按既定周期T輪詢(xún)。

實(shí)時(shí)進(jìn)程的既定周期T的設置十分重要，周期過(guò)長(cháng)，會(huì )增加發(fā)生沖突后的等時(shí)間，導致共享內存狀態(tài)改變時(shí)，無(wú)法被及時(shí)寫(xiě)入；周期過(guò)短，增加了系統的輪詢(xún)次數，加重實(shí)時(shí)系統的負擔。筆者在已實(shí)現的數據采集程序中，對T的不同設置，所獲得的平均數據采集率進(jìn)行了統計，結果如圖5所示。

注：以上實(shí)驗的測試平臺為PentiumIII 667,5400轉普通硬盤(pán)，RTLinux3.1、Linux kernel 2.4.4，數據流向為數據采集外設至共享內存然后存放硬盤(pán)，數據的產(chǎn)生頻率為10ms。

（2）非實(shí)時(shí)模塊之間的互斥

非實(shí)時(shí)模塊中異步執行的各采集線(xiàn)程之間，可以利用互斥變量的加鎖和解鎖實(shí)現對共享內存訪(fǎng)問(wèn)的互斥。由于互斥區的執行體內，每次只允許一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)入，為了保證程序的執行效率，在互斥區中不宜使用耗時(shí)較長(cháng)或阻塞式調用的函數。

4 結論

在RTLinux提供的實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊之間的通信接口中，RT_FIFO和共享內存較為常用，分別適用于不同的數據類(lèi)型通信。本文提出的這種方法，能充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，方便地實(shí)現實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)之間海量數據通信。目前已在rtLinux3.1、Linux kernel 2.4.4系統平臺上成功實(shí)現，并取得了令人滿(mǎn)意的效果。