[转帖]RTLinux的牵线

摘自: http://blog.21ic.com/user1/4132/archives/2009/61579.html

)

作者:王珊珊,华
清远见嵌入式学院讲师。

  1. RTLinux

  RTLinux是出于美国新墨西哥州底fsmlabs(finite state machine labs,
有限状态机实验室)公司开发的、利用linux开发的面向实时和嵌入式应用的操作系统。在rtlinux宣言受到,这样讲述rtlinux
: rtlinux is the hard realtime variant of linux that makes it possible
to control robots, data acquisition systems, manufacturing plants, and
other time-sensitive instruments and machines。

交目前为止,RT-Linux已经成功地采取被航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控以及
电影特技图像处理等常见领域,在电信、工业自动化和航空航天等实时领域呢产生成熟应用。随着信息技术之飞速发展,实时系统已经渗透到日常生活的顺序层面,包
括传统的数控领域、军事、制造业和通信业,甚至并潜力巨大的信息家电、媒体广播系统和数字影像设备还对实时性提出了更为大之求。

 RT-Linux开发者并没对准实时操作系统的特征而再度写Linux的基业,因为当时
样做的工作量大酷,而且一旦保兼容性也不行艰难。将linux的水源代码做片改,将linux本身的任务以及linux内核本身作为一个优先级很低
的天职,而实时任务作为优先级最高的任务。即以实时任务在的场面下运行实时任务,否则才运行linux本身的任务。TRLinux能够创立标准运行的符
合POSIX.1b标准的实时过程;并且作为同栽照GPL
v2协议的绽开软件,可以上GPL
v2协议许可限制外擅自地、免费地用、修改和再来。

其是Linux在实时性方面的扩张,采用已得到专利的双双审技术:一个袖珍的
RTLinux内核把原之Linux内核作为其当悠然时的一个线程来运作。这被了在个别单不同的水源层面上――实时的RTLinux内核和常用的,非实
时的Linux内核――运行不同程序的初方式。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于RTLinux来开展无
理的。目前,有星星点点种不同的RTLinux版本:RTLinux/Free(或者RTLinux/Open)和RTLinux/Pro.
RTLinux/Pro是一个由FSMLabs开发之一点一滴商业版本的实时linux。RTLinux/Free是一个是因为社区开发之开源版本。

2.标准Linux影响实时性的建制

幸存的Linux是一个通用的操作系统,虽然她以了森术来增长系统的运作与影响速
度,但它们实质上未是一个实时操作系统,应用为嵌入式环境中尚存很多的贫。具体表现如下:

1.关戛然而止问题

   
在网调用中,为了保障临界区资源,Linux处于根本临界区时不时,中断会被系统屏蔽,这虽象征一旦手上进程正处在临界区,即使其的先行级较逊色,也会延迟
高优先级的中断请求。在实时应用中,这是一个颇严重的题目。

2.历程调度问题

   
Linux采用专业的UNIX技术使本是不行抢占的。采用基于固定时间片的可变优先级调度,不论进程的先级多么没有,Linux总会于有时刻分给该
进程一个日片运行,即使以有好运行的大优先级进程,它为亟须等待低优先级进程的年月片用完,这对有的渴求高优先级进程就抢占CPU的实时应用是勿
能满足要求的。

3.钟问题

Linux为了加强系统的平均吞吐率,将钟中断的极其小间隔设置也10ms,这对一个
周期性的实时任务,间隔要求小于10ms时,就非可知满足实时任务的得。如果要拿常钟
的距离改多少因满足周期性的实时任务之需要,由于Linux的经过切换比较费时,时钟中断越频繁,而消费在暂停处理达成之时间哪怕更加多,系统的大多数时空是调整用上
程调度程序进行过程调度而未克开展例行的处理。

3.RTLinux的特点

在Linux
操作系统中,调度算法(其吃最深吞吐量则)、设备驱动、不可中断的体系调用、中断屏蔽以及虚拟内存的应用等元素,都见面导致系统在时光达到的无可预测性,决
定矣Linux操作系统不可知处理硬实时任务。RTLinux也避免这些题材,在Linux内核与硬件之间多了一个虚拟层(通常如作虚拟机),构筑了一个
小的、时间上可是预测的、与Linux内核分开的实时内核,使得在中运行的实时过程满足硬实时性。并且RTLinux和Linux构成一个齐的完好,能
够完成既包括实时部分以包括非实时有些的繁杂任务。

4.RTLinux的贯彻机理

RT-Linux对Linux内核进行改建,将Linux内核工作条件做了一部分转变,如
图1所著:

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图1 RTLinux对Linux内核改变

RTLinux有星星点点种中断:硬中断和软中断。软中断是常规Linux内核中断。它的优点在于可无论界定地使用
Linux内核调用。硬中断是安实时Linux的前提。依赖让不同之网,实时Linux下顽强中断的推是15μs。

它们在Linux内核的下层实现了一个简的实时内核,而Linux本身作为这实时内核
的优先级最低的任务,所有的实时任务的先期级都高于Linux系统本身的同Linux系统下的貌似任务。RTLinux的网布局使图2所出示。

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祈求2 RTLinux的系统布局

RTLinux的统筹思想是:应用硬件的实时约束将实时程序分割成短小简单的组成部分,较生一部分承担比较复杂的职责。根据
这同标准,将应用程序分为硬实时以及软实时(即程序)2独片。

强壮时之落实:

硬件实时部分让当实时任务来执行,并打外部设备拷贝数据到一个吃做实时有名管道(RTFIFO)的非常I/O端
口;程序要组成部分作为标准Linux进程来实行。它以自RTFIFO中读取数据,然后显示并储存到文件被,实时部分以为形容副内核。设计实时有名管道是为了
使实时任务在朗诵与描绘多少经常未让死。图3所出示之是RTFIFO结构图。

 

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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
优先权最低的线程来运作,从而躲避了Linux内核性能的题目。 从图3可以看,RTLinux拥有两只基本。这便代表来零星组单独的API,一个用来
Linux环境,另一个用以实时环境。此外,为保实时过程同非实时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,最多但高达150独,分别命名也/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最充分之RT-
FIFO数量在网基本编译时设定。

RTLinux程序运行于用户空间及内核态两独空中。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制成内核模块,并载至RTLinux内核中,运行为RTLinux的内核态。非实时有的应用程序则以
Linux下之用户空间中实行。这样可以发表Linux对网络以及数据库的强大支撑作用。
 软实时的贯彻:

RTLinux通过一个高速的、可抢的实时调度核心来宏观接管中断,并把Linux作
为此实时基本的一个优先级最低的过程运行。当起实时任务急需处理时,RTLinux运行实时任务;无实时任务时,RTLinux运行Linux的非实时上
程。其系统结构见图1。

 

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祈求4 RTLinux系统结构图

以Linux进程以及硬件中断之间,本来出于Linux内核完全控制,现在当Linux内核
和硬件中断的地方长了一个RTLinux内核的决定。Linux的主宰信号都如事先交由RTLinux内核进行处理。在RTLinux内核中落实了一个虚
拟中断机制,Linux本身永远不可知屏蔽中断,它发出之中止屏蔽信号及开拓中断信号都改成向RTLinux发送一个信号。如在Linux里面使用
“SI”和“CLI”宏指令,让RTLinux里面的某些标记做了改动。也就是说将具备的中止分成Linux中断和实时中断两类。如果RTLinux内核
接收至的中止信号是普普通通Linux中断,那就是设置一个标明位;如果是实时中断,就此起彼伏于硬件来中断。在RTLinux中实行STI将暂停打开后,那些
设置了标志位表示的Linux中断就继续执行,因此,CLI并无克禁止RTLinux内核的运作,却足以就此来中断Linux。Linux不克暂停自己,而
RTLinux可以。 

RTLinux以默认的动静下下优先级的调度策略,即系统调度器根据各个实时任务之优
先级来规定实施之顺序次序。优先级赛之事先实行,优先级低之后实施,这样便管了实时过程的飞快调度。同时RTLinux也支持其他的调度策略,如最缺乏时限
最先调度(EDP)、确定周期调度(RM)(周期段的实时任务具有高的优先级)。RTLinux将任务调度器本身设计成为一个而装载的内核模块,用户可以彻底
据自己之实在用,编写适合自己之调度算法。

   对于一个操作系统而言,精确的定时机制则可以增强任务调度器底效率,但会追加
CPU处理定时中断的年月支付。RTLinux对日精度和时钟中断处理的时支出进行了折中考虑。不是比如说Linux那样将8254定时器设计改为10ms
产生同样不成定时中断的定位模式,而是以定时器芯片安装也终极计时中断方式。根据近年来的长河的岁月得,不断调整定时器的定时间隔。这样不但可获取高定时精
度,同时中止处理的开销又极小。

5.RTLinux的关键功用

RTLinux提供了身针对性健全时经过的支撑函数集。在是,对以嵌入式系统被的实现加以阐述。

a.中断仿真

于暂停控制硬件及LINUX核心之间放置一个软件仿真层。具体做法是,在LINUX源码中起cli、sti和
iret的拥有地方都用仿真宏:S_CLI、S_STI和S_IRET来替换。所有的硬件中断就还给仿真器所收获。

当得关中766游戏网官网断时,就拿仿真器中的一个变量置0。不论何时要发生抛锚发生,仿真器就反省这个变量。如果是1(LINUX
已开始中断),就顿时调用LINUX的中止处理程序;否则,LINUX中断被禁止,中断处理程序不会见给调用,而是以保留着有悬挂于暂停的音信的变量的相应位
置1。当LINUX重新开中断,所有悬挂于暂停的处理程序都见面为执行。这种虚伪艺术得以称之为”软中断”。

b.实时任务

实时任务是以一个是因为基本控制的调度程序的调度下实施之用户定义之次。

RT-LINUX最初拿实时任务规划成ELF格式的对象文件。这等同设计方案的最老毛病就是是性于差。原因在,第
平等,486的缓存是杜撰的。所以于页表目录的基址寄存器改变时,TLB(转换后备缓冲器)就见面失灵。由于实时任务的上下文转换频繁,所以TLB的高频失
效就导致系统性能的严重下降。第二,486之维护级别变换耗时非丢。比如,陷入更强级别时需71个巡回,而另指令一般少于10单巡回。

缓解之方就是行使可加载模组技术,所有的实时任务都与处一个地址空间-内核地址空间,不仅避免了频繁之TLB失
效,同时为驱除了换保护级别之淘,而且任务变为转移得一定好。

c.进程调度

实时系统的历程调度的重点任务就是满足实时任务在日达到的求。调度算法的项目众多,没有一个策是加大的四海而都准
的,因此采取哪种算法要在于具体采用。

RT-LINUX以的不二法门是允许用户编写好之调度程序,并可编译成模组的样式。这样虽足以一本万利地试验不同的策
略和算法对于有同一定应用之适合性,从中选出最良好。

RT-LINUX自带的是一个因优先数的抢占式调度程序。此调度程序将LINUX当作具有低优先数之实时任务。
因此,LINUX只当实时系统无外实时任务是才运行。在自LINUX切换到实时任务时,系统记下软中断的状态并严令禁止软中绝对。在切换回来的,再过来软中断
的状态。

d.时钟

调度程序用规范的钟才能够精确操作。调度通常是当一定的时刻进行任务切换。时钟的不是会唤起预定调度的谬误,导致
产生让称之为任务发布抖动的景。这是相同种植应该尽量避免的不良现象。

RT-LINUX的解决办法是,将IBM PC兼容机中之时钟芯片Intel
8254安装为中断开启终极计数模式。在这种模式下,精度可以高达1毫秒。这样于下落中断处理的震慑之又,获得了比高之钟表精度。

e.IPC

由标准LINUX核心可以被实时任务在随心所欲时刻抢占,所以实时任务无法安然地调用LINUX的先后。但是毕竟要发生同
个消息置换的建制。

于RT-LINUX中所用底音交换方式是RT-FIFO(实时排)。它同UNIX的管道很相似,都是一个无结
构的数据流。通过RT-FIFO,LINUX的进程中,实时过程中,以及LINUX的骨干与实时过程中可以交换信息。

对于一个家常的进程来说,RT-FIFO就是一个非常的字符文件。这些文件要由盖:

# for i in 0 1 2 3; do mknod /dev/rtf$i c 63 $i; done

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