硬实时操作系统-RTLinux

2009年03月11日 09:03    李宽
关键词: RTLinux , 操作系统 , 硬实

  近年来,基于PC的嵌入式系统得到迅速的发展。在各种不同的操作系统中,由于Linux操作系统的廉价、源代码的开放性以及系统的稳定性,使其在基于PC的嵌入式系统中的应用日益广泛。RTLinux(RealTime Linux)[1]是 一种基于Linux的实时操作系统,是由FSMLabs公司(Finite State Machine Labs Inc.)推出的与Linux操作系统共存的硬实时操作系统。它能够创建精确运行的符合POSIX.1b标准的实时进程;并且作为一种遵循GPL v2协议的开放软件,可以在GPL v2协议许可范围内自由地、免费地使用、修改和再发行。本文介绍了RTLinux的特点及功能,并结合一个实时处理的具体实例对其编程方法加以说明。 

1 RTLinux的特点 

  在Linux操作系统中,调度算法(基于最大吞吐量准则)、设备驱动、不可中断的系统调用、中断屏蔽以及虚拟内存的使用等因素,都会导致系统在 时间上的不可预测性,决定了Linux操作系统不能处理硬实时任务。RTLinux为避免这些问题,在Linux内核与硬件之间增加了一个虚拟层(通常称 作虚拟机),构筑了一个小的、时间上可预测的、与Linux内核分开的实时内核,使得在其中运行的实时进程满足硬实时性。并且RTLinux和Linux 构成一个完备的整体,能够完成既包括实时部分又包括非实时部分的复杂任务。 

1.1 硬实时性 

  RTLinux将Linux源码中所有的cli、sti、iret指令分别用宏S_CLI、S_STI、 S_IRET替换,引入的虚拟层将截取所有的硬件中断,分割Linux系统与硬件中断之间的直接联系。当RTLinux虚拟层接收到与实时处理有关的硬件 中断时,立即启动执行相应的实时中断服务程序;而接收到与实时处理无关的中断时,先保存相应的信息,等到RTLinux内核空闲时通过软中断传递给 Linux内核去处理,这样就使得RTLinux内核不受各种软、硬件中断的影响,不会造成时间上的不可预测性。同时又区别于其他的实时处理方案,它并未 对操作系统的内核作结构性的修改,因此并不会妨碍Linux操作系统的进一步发展和变化。 

  Linux采用基于最大吞吐量准则的调度策略,并不能确保各个实时进程的及时调度。而RTLinux在缺省情况下采用优先级的调度策略,即系统 调度器根据各个实时任务的优先级来确定执行的先后次序。优先级高的先执行,优先级低的后执行,这样就保证了实时进程的迅速调度。同时RTLinux也支持 其它的调度策略,如最短时限最先调度(EDP)、确定周期调度(RM)(周期短的实时任务具有高的优先级)。RTLinux将任务调度器本身设计成一个可 装载的内核模块,用户可以根据自己的实际需要,编写适合自己的调度算法。 

  操作系统精确的定时机制,可以提高任务调度器的效率,但增加了CPU处理定时中断的时间开销。RTLinux采用一种折衷的方案,不将8354 定时器设计成10毫秒产生一次定时中断的固定模式,而是根据最近事件(进程)的时间需要,不断调整定时器的定时间隔。这样既可以提供高精度的时间值,又避 免过多增加CPU处理定时中断的时间开销。RTLinux系统同时将各时间间隔相加,保持一个系统全局时间变量,并使用软中断的方式来模拟传统的 100Hz定时中断,将其传递给Linux系统使用。 

1.2 完备性 

  过去,实时操作系统仅是一组原始的、简单的可执行程序,它所做的仅仅是向应用程序提供一个程序库。但如今,实时应用程序通常要求能够支持 TCP/IP、图形显示、文件和数据库系统及其它复杂的服务。为了满足当今实时应用程序的多种需求,通常采用在实时控制内核上增加这些服务或完全修改标准 操作系统内核的方法,而RTLinux所采用的是一种新型高效的方式。将一个简单的小型实时内核与Linux内核共存,用简单的小型实时内核处理实时任 务,将非实时任务交给Linux内核去处理,而Linux内核本身也作为一个RTLinux实时内核在空闲时运行的进程。这种将实时系统和平均时间优化的 标准Linux操作系统协同工作的方式,使得许多实时应用都显示出一种增效。实时内核中的实时任务可以直接访问硬件,不使用虚拟内存,给实时进程提供了很 大的灵活性;运行在Linux用户空间中的非实时任务,可以方便地使用系统提供的各种资源(网络、文件系统等),并受到系统的保护,增加了系统的安全 性。 

2 RTLinux的主要功能 

  RTLinux提供了一整套对硬实时进程的支持函数集。在此,仅对在嵌入式系统中最重要的三个方面:进程间的通讯、中断和硬件设备的访问以及线程间的同步加以阐述。 

2.1 进程间的通信(IPC) 

  RTLinux要求将应用程序分成实时部分和非实时部分。应用程序的实时部分应该是简单的和轻负荷的,在RTLinux的实时内核中完成;而非 实时部分,在Linux的用户空间完成。因此RTLinux提过了多种内核实时进程和Linux用户空间进程间的通讯机制,最重要的是实时FIFO和共享 内存。 

  实时FIFO是能够被内核实时进程和Linux用户空间进程访问的快进快出队列,是一种单向的通讯机制,可以通过两路实时FIFO构成双向的数据交换方式。在使用实时FIFO前先要对实时FIFO通道初始化: 

  #include  

  int rtf_create(unsigned int fifo, int size) 

  使用后应该注销实时FIFO通道: 

  int rtf_destroy(unsigned int fifo) 

  在初始化实时FIFO通道后,RTLinux内核的实时进程和Linux用户空间的进程都可以使用标准的POSIX函数open、read、 write和close等对实时FIFO通道进行访问。内核实时进程还可以使用RTLinux的专有函数rtf_put和rtf_get对实时FIFO通 道进行读写。 

  RTLinux共享内存由mbuff.o模块支持,可以使用下面的函数分配和释放共享内存块: 

  #include  

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

  void mbuff_free(const char *name, void *mbuf) 

  函数mbuff_alloc有两个参数,共享内存名name和共享内存块的大小size。如果指定的内存共享名并不存在,分配成功时返回共享内 存指针,访问计数置为1,分配失败时返回空指针;如果指定的内存共享名已经存在,返回该块共享内存的指针,并将访问计数值直接加1。函数 mbuff_free将该块共享内存的访问计数值减1,当计数值为0时,该共享内存被释放。在实时内核模块中使用该函数时,应该将函数 mbuff_alloc和 mbuff_free分别放在init_module 和cleanup_module模块之中。 

2.2 中断和访问硬件 

  硬中断(实时中断)具有最低的延时,在系统内核中只有少数的实时进程使用。函数rtl_request_irq和rtl_free_irq用于安装和卸载指定硬件中断的中断服务程序。 

  #include  

  int rtl_request_irq(unsigned int irq, unsigned int

         (*handler) (unsigned int, struct pt_regs *))

    int rtl_free_irq(unsigned int irq) 

  中断驱动的线程可以使用唤醒和挂起函数: 

  int pthread_wakeup_np(pthread_t thread) 

  int pthread_suspend_np(void) 

  一个中断驱动的线程可以调用函数pthread_suspend_np(pthread_self())阻塞自身线程的执行,然后由中断服务函 数调用函数pthread_wakeup_np唤醒该线程的执行,直到此线程再次调用函数 pthread_suspend_np(pthread_self())将自身挂起。 

  软中断是Linux内核常常使用的中断,它能够更安全地调用系统函数。无论如何,对于许多任务来说并不能提供硬实时性能,将会导致一定的延时。 

  int rtl_get_soft_irq(void (*handler)(int, void*, struct pt_regs *), const char* devname)分配一个虚中断并安装中断处理函数;void rtl_global_pend_irq(int ix) 激活虚中断;void rtl_free_soft_irq(unsigned int irq) 释放分配的虚中断。 

  RTLinux与Linux一样通过/dev/mem设备访问物理内存,具体由模块 rtl_posixio.o 提供此项功能。首先应用程序应该打开/dev/mem设备,通过函数mmap对某段物理内存进行映射后,即可使用映射后的地址访问该段物理内存。应用程序 只能在Linux进程中(即在应用程序的init_module()模块中)调用mmap,在实时进程中调用mmap将会失败。另一种访问物理内存的方法 是通过Linux的函数ioremap[2]。RTLinux 访问I/O端口的函数如下(对于x86结构): 

  输出一个字节到端口:  

  #include  

  void outb(unsigned int value, unsigned short port) 

  void outb_p(unsigned int value, unsigned short port) 

  输出一个字到端口:  

  #include  

  void outw(unsigned int value, unsigned short port) 

  void outw_p(unsigned int value, unsigned short port) 

  从端口读一个字节:  

  #include  

  char inb(unsigned short port) 

  char inb_p(unsigned short port) 

  从端口读一个字:  

  #include  

  short inw(unsigned short port) 

  short inw_p(unsigned short port) 

  其中带后缀_p的函数使读写端口时有一个小的延时,这在快速的计算机访问慢速的ISA设备时是必需的。 

2.3 线程同步 

  当多个实时线程需要访问共享资源时,如果没有一种同步机制,将破坏共享资源中数据的完整性。RTLinux提供一种简单的加锁方法mutex来 控制对共享资源的存取,并支持POSIX的pthread_mutex_ family函数组[3]。目前有以下函数可以使用: 

  pthread_mutexattr_getpshared   //得到指定属性线程共享属性值; 

  pthread_mutexattr_setpshared //设置指定属性线程共享属性值; 

  pthread_mutexattr_init //初始化mutex的属性; 

  pthread_mutexattr_destroy //删除mutex的属性; 

  pthread_mutexattr_settype //设置mutex信号的类型; 

  pthread_mutexattr_gettype //得到mutex信号的类型; 

  pthread_mutex_init //按指定的属性初始化mutex; 

  pthread_mutex_destroy //删除给定的mutex; 

  pthread_mutex_lock //锁定mutex,如果mutex已被锁定,阻塞当前线程直到解锁; 

  pthread_mutex_trylock //锁定mutex,如果mutex已被锁定,函数立即返回; 

  pthread_mutex_unlock //解锁mutex; 

  互斥信号类型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL (default POSIX mutexes)和PTHREAD_MUTEX_SPINLOCK (spinlocks) 

3 RTLinux的编程实例分析 

  下面结合一个具体的程序parport.c[4],对RTLinux的编程特点加以说明。程序parport.c中的实时线程在并口的2、3脚 (并口的数据D0和D1)上周期输出信号1,而对应硬件中断7的实时中断服务程序将在并口的2、3脚输出信号0。连接并口的2脚和10脚(并口的确认信号 线,对应于计算机的硬件中断7),则可在并口的2、3脚上产生一个方波信号。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){//中断服务函数 

    outb(0, 0x378);        //输出字节0到并口数据线 

    rtl_hard_enable_irq(7); //使能硬件中断7 

    return 0; 

void * start_routine(void *arg){    //实时线程 

    struct sched_param p;   //定义实时线程控制参数的数据结构 

    p. sched_priority = 1;  //设置优先级为1 

    pthread_setschedparam (pthread_self(), SCHED_FIFO, &p);//设置实时线程的控制参数 

    pthread_make_periodic_np(pthread_self(),gethrtime(),100000);//启动周期为10ns的实时线程 

    while (1){ 

        pthread_wait_np();  //实时线程挂起 

        outb(3, 0x378);    //实时线程周期执行,输出3到并口数据线 

    } 

return 0; 

int init_module(void) {//初始化模块 

    int status; 

    rtl_irqstate_t f; 

    rtl_no_interrupts(f);           //保存当前的中断状态标志到变量f,并禁止中断 

    status=rtl_request_irq(7, intr_handler);  //设置硬件中断7的处理程序 

    rtl_printf(″rtl_request_irq: %dn″, status); //输出的控制台 

    outb_p(inb_p(0x37A) | 0x10, 0x37A); //使能并口中断(硬件上) 

    rtl_hard_enable_irq(7);//使能中断7(软件上) 

    rtl_restore_interrupts(f); //按照变量f恢复当前的中断状态标志,并使能中断 

    return pthread_create (&thread, NULL, start_routine, 0);//创建实时进程thread 

void cleanup_module(void) {         //清除模块 

    rtl_free_irq(7);                //禁止中断7 

    pthread_delete_np (thread);     //删除实时进程thread 

    程序parport.c的make文件如下: 

all: parport.o 

include rtl.mk 

clean: 

rm -f *.o 

    按照如下命令对程序进行编译: 

make 

    运行程序可采用以下命令: 

modprobe rtl_sched         //调入所需的处理模块 

insmod parport.o               //调入parport.o模块 

  连接并口的2脚和10脚,即可通过示波器在并口的3脚上观测到输出的方波信号。 

  可以看到,RTLinux的实时程序被编写成可加载的Linux内核模块,它能被动态地加入内存,不能执行Linux系统调用,模块的初始化代码对实时任务的结构作初始化,把实时任务的时限、周期和释放时间等实时参数传递给RTLinux。 

  通过对Linux最小的改动,提供一种可靠且廉价的硬实时操作系统RTLinux。RTLinux开发者可以充分利用Linux提供的各种方便 来编写任务的非实时部分,加速自己的任务进度。目前RTLinux的最新版本为3.1,支持Linux2.4内核,程序源代码可以通过网站 http://www.rtlinux.org/免费下载。 

参考文献 

1 http://www.rtlinux.org/documents.html 

2 Alessandro R著, LISOLEG译. Linux设备驱动程序.北京:中国电力出版社,2000.4 

3 周巍松编著. Linux系统分析与高级编程技术. 北京:机械工业出版社,1999.12 

4 http://midas.psi.ch/rtlinux
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