基于Linux的实时操作系统

　　摘要：介绍了RTLinux的两个重点特点：硬实时性和完备性，及其在嵌入式系统应用中的一些重要功能，并结合实时处理的具体实例对其编程方法加以说明。

　　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，可以达GPL v2协议许可范围内自由地、地使用、修改和再发生。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

　　RTLinux（AReal-Time Linux,亦称作实时Linux）是Linux中的一种实时操作系统。它由新墨西哥矿业及科技学院的V. Yodaiken开发。目前，RTLinux有一个由社区支持的版本，称为RTLinux Free，以及一个来自FSMLabs的商业版本，称作RTLinux Pro。

　　RT-Linux开发者并没有针对实时操作系统的特性而重写Linux的内核，因为这样做的工作量非常大，而且要保证兼容性也非常困难。将linux的内核代码做一些修改，将linux本身的任务以及linux内核本身作为一个优先级很低的任务，而实时任务作为优先级的任务。即在实时任务存在的情况下运行实时任务，否则才运行linux本身的任务。TRLinux能够创建运行的符合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，可以达GPL v2协议许可范围内自由地、地使用、修改和再发生。

　　它是Linux在实时性方面的扩展，采用已获得的双核技术：一个微型的RTLinux内核把原始的Linux内核作为它在空闲时的一个线程来运行。这开启了在两个不同的内核层面上――实时的RTLinux内核和常用的，非实时的Linux内核――运行不同程序的新方式。原始的Linux内核通过RTLinux内核访问硬件。这样，所有硬件实际上都是由RTLinux来进行管理的。目前，有两种不同的RTLinux版本：RTLinux/Free（或者RTLinux/Open）和RTLinux/Pro. RTLinux/Pro是一个由FSMLabs开发的完全商业版本的实时linux。RTLinux/Free是一个由社区开发的开源版本。

　　在Linux操作系统中，调度算法（其于吞吐量准则）、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。

　　1.1 硬实时性

　　硬件实时部分被作为实时任务来执行，并从外部设备拷贝数据到一个叫做实时有名管道（RTFIFO）的特殊I/O端口；程序主要部分作为标准Linux进程来执行。它将从RTFIFO中读取数据，然后显示并存储到文件中，实时部分将被写入内核。设计实时有名管道是为了使实时任务在读和写数据时不被阻塞。图3所示的是RTFIFO结构图。  图3 RT-FIFO结构图

　　RTLinux将标准Linux内核作为简单实时操作系统（RTOS）（或叫子内核）里优先权的线程来运行，从而避开了Linux内核性能的问题。 从图3可以看出，RTLinux拥有两个内核。这就意味着有两组单独的API，一个用于Linux环境，另一个用于实时环境。此外，为保证实时进程与非实时Linux进程不顺序进行数据交换，RTLinux引入了RT-FIFO队列。RT-FIFO被Linux视为字符设备，多可达150个，分别命名为/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。的RT-FIFO数量在系统内核编译时设定。

　　RTLinux程序运行于用户空间和内核态两个空间。RTLinux提供了应用程序接口。借助这些API函数将实时处理部分编写成内核模块，并装载到RTLinux内核中，运行于RTLinux的内核态。非实时部分的应用程序则在Linux下的用户空间中执行。这样可以发挥Linux对网络和数据库的强大支持功能。

　　操作系统的定时机制，可以提高任务调度器的效率，但增加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毫秒产生定时中断的固定模式，而是根据近事件（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。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。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。

　　在中断控制硬件与LINUX之间放置一个软件仿真层。具体做法是，在LINUX源码中出现cli、sti和iret的所有地方都用仿真宏：S_CLI、S_STI和S_IRET来替换。所有的硬件中断就都被仿真器所截获。

　　当需要关中断时，就将仿真器中的一个变量置0。不论何时若有中断发生，仿真器就检查这个变量。如果是1（LINUX已开中断），就立即调用LINUX的中断处理程序；否则，LINUX中断被禁止，中断处理程序不会被调用，而是在保存着所有挂起中断的信息的变量的相应位置1。当LINUX重新开中断，所有挂起中断的处理程序都会被执行。这种仿真方式可以称之为"软中断"。

　　2.1 进程间的通信（IPC）

　　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<rtl_fifo.h>

　　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 <mbuff.h>

　　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。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<rtl_core.h>

　　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唤醒该线程的换行，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*,struetpt_regs ），const char* devname）分配一个虚中断并安中断；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。另一种访问物理内存的方法是通过Linux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 <asm/io.h>

　　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<asm/io.h>

　　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<asm/io.h>

　　char inb（unsigned short port）

　　char inb_p（unsigned short port）

　　从端口读一个字：

　　#include<asm/io.h>

　　short inw（unsigned short port）

　　short inw_p（unsigned short port）

　　其中带后缀_p的函数使读写端品时有一个小的延时，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；

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

　　pthread_untex_unlock //解锁mutex；

　　互斥信号类型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL（default POSIX mutexes）的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 <rtl.h>

　　#include <rtl_sync.h>

　　#include <time.h>

　　#include <ptrhrad.h>

　　#include <asm/io.h>

　　#include <linux/kd.h>

　　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; //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,irtr_handler）； //设置硬件中断7的处理程序

　　rtl_printf（"rtl_request_irq:%d",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 *.0

　　按照如下命令对程序进行编译：

　　make

　　运行程序对采用以下命令：

　　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，把实时任务时限、周期和释放时间等实时参数传递给RTLinux。

　　通过对Linux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。

  

参考文献:

[1]. arg datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/arg_2147916.html.