1、硬实时操作系统-RTLinux摘要：介绍了 RTLinux 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些重要功能并结合实时处理具体实例对其编程方法加以说明 关键词：操作系统 实时处理 Linux 嵌入式系统近年来基于 PC 嵌入式系统得到迅速发展在各种不同操作系统中由于 Linux 操作系统廉价、源代码开放性以及系统稳定性使其在基于 PC 嵌入式系统中应用日益广泛 RTLinux(RealTime Linux)1是种基于 Linux 实时操作系统是由FSMLabs 公司（Finite State Machine Labs Inc.）推出与 Linux 操作系统共存硬实时操作系统它能够
2、创建精确运行符合 POSIX.1b 标准实时进程；并且作为种遵循 GPL v2 协议开放软件可以达 GPL v2 协议许可范围内自由地、免费地使用、修改和再发生本文介绍了 RTLinux 特点及功能并结合个实时处理具体实例对其编程方法加以说明1、 RTLinux 特点在 Linux 操作系统中调度算法（其于最大吞吐量准则）、设备驱动、不可中断系统、中断屏蔽以及虚拟内存使用等因素都会导致系统在时间上不可预测性决定了 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个虚拟层（通常称作虚拟机）构筑了个小、时间上可预测、与 Linux 内核分开
3、实时内核使得在其中运行实时进程满足硬实时性并且 RTLinux 和 Linux 构成个完备整体能够完成既包括实时部分又包括非实时部分复杂任务。1.1 硬实时性RTLinux 将 Linux 源码中所有 cli、sti、iret 指令分别用宏 S_CLI、S_STI、S_IRET 替换引入虚拟层将截取所有硬件中断分割 Linux 系统与硬件中断之间直接联系当 RTLinux 虚拟层接收到与实时处理有关硬件中断时立即启动执行相应实时中断服务；而接收到与实时处理无关中断时先保存相应信息等到 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
4、件中断影响不会造成时间上不可预测性同时又区别于其他实时处理方案它并未对操作系统内核作结构性修改因此并不会妨碍 Linux 操作系统进步发展和变化 Linux 采用基于最大吞吐量准则调度策略并不能确保各个实时进程及时调度而 RTLinux 在缺省情况下采用优先级调度策略即系统调度器根据各个实时任务优先级来确定执行先后次序优先级高先执行优先级低后执行这样就保证了实时进程迅速调度同时 RTLinux 也支持其它调度策略如最短时限最先调度（ EDP）、确定周期调度（RM ）（周期短实时任务具有高优先级）RTLinux 将任务调度器本身设计成个可装载内核模块用户可以根据自己实际需要编写适合自己调度算法操
5、作系统精确定时机制可以提高任务调度器效率但增加 CPU 处理定时中断时间开销 RTLinux采用种折衷方案不将 8354 定时器设计成 10 毫秒产生次定时中断固定模式而是根据最近事件（进程）时间需要不断调整定时器定时间隔这样既可以提供高精度时间值又避免过多增加 CPU 处理定时中断时间开销 RTLinux 系统同时将各时间间隔相加保持个系统全局时间变量并使用软中断方式来模拟传统 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组原始、简单可执行它所做仅仅是向应用提供库但如今实时应用通常要求能够支持TCP/IP、图形显示、文件和数据库系统及其它复杂服务为了
6、满足当今实时应用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方法而 RTLinux 所采用是种新型高效方式将个简单小型实时内核与 Linux 内核共存用简单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 内核本身也作为个 RTLinux 实时内核在空闲时运行进程这种将实时系统和平均时间优化标准 Linux 操作系统协同工作方式使得许多实时应用都显示出种增效实时内核中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灵活性；运行在 Linux 用户空间中非实时任务可以方便地使用系统提供各种资源（网络、文件系统等）并受到系统保护增加
7、了系统安全性2 、RTLinux 主要功能RTLinux 提供了整套对硬实时进程支持集在此仅对在嵌入式系统中最重要三个方面：进程间通讯、中断和硬件设备访问以及线程间同步加以阐述。2.1 进程间通信（IPC）RTLinux 要求将应用分成实时部分和非实时部分应用实时部分应该是简单和轻负荷在 RTLinux 实时内核中完成；而非实时部分在 Linux 用户空间完成因此 RTLinux 提过了多种内核实时进程和 Linux 用户空间进程间通讯机制最重要是实时 FIFO 和共享内存实时 FIFO 是能够被内核实时进程和 Linux 用户空间进程访问快进快出队列是种单向通讯机制可以通过两路实时 FIFO
8、 构成双向数据交换方式在使用实时 FIFO 前先要对实时 FIFO 通道化：#rtf_create(unsigned fo, size)使用后应该注销实时 FIFO 通道：rtf_destroy(unsigned fo)在化实时 FIFO 通道后 RTLinux 内核实时进程和 Linux 用户空间进程都可以使用标准 POSIXopen、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 专有 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分配和释放共享
9、内存块：# void *mbuff_alloc(const char *name, size)void mbuff_free(const char *name,void *mbuf)mbuff_alloc 有两个参数共享内存名 name 和共享内存块大小 size 如果指定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；如果指定内存共享名已经存在返回该块共享内存指针并将访问计数值直接加 1mbuff_free 将该块共享内存访问计数值减 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时应该将 mbuff_alloc 和 mbuff_free 分
10、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）具有最低延时在系统内核中只有少数实时进程使用 rtl_request_irq 和 rtl_free_irq 用于安装和卸载指定硬件中断中断服务#rtl_request_irq(unsigned irq,unsigned (*handler)(unsigned ,struct pt_regs *)rtl_free_irq(unsigned irq)中断驱动线程可以使用唤醒和挂起：pthread_wakeup_np(pthread_t thread)pthread_suspend_n
11、p(void)个中断驱动线程可以 pthread_suspend_np(pthread_self)阻塞自身线程执行然后由中断服务pthread_wakeup_np 唤醒该线程换行直到此线程再次 thread_suspend_np(pthread_self（）)将自身挂起软中断是 Linux 内核常常使用中断它能够更安全地系统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定延时Int rtl_get_soft_irq(void (*handler)（,void*,struetpt_regs ）const char* devname)分配个虚中断并安中断；void rtl_free_soft
12、_irq(unsigned irq)释放分配虚中断 RTLinux 与 Linux 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应该打开/dev/mem 设备通过 mmap 对某段物理内存进行映射后即可使用映射后地址访问该段物理内存应用只能在 Linux 进程中（即在应用 init_module 模块中）mmap 在实时进程中 mmap 将会失败另种访问物理内存方法是通过 Linux 将会失败另种访问物理内存方法是通过 Linuxioremap（2）RTLinux 访问 I/O 端口如下（对于 x86 结构）：输出个字节到端口：# voi
13、d outb(unsigned value,unsigned port)void outb_p(unsigned value,unsigned port)输出个字到端口：#void outw(unsigned value,unsigned port)void outw_p(unsigned value,unsigned port)从端口读个字节：#char inb(unsigned port)char inb_p(unsigned port)从端口读个字：#inw(unsigned port)inw_p(unsigned port)其中带后缀_p 使读写端品时有个小延时这在快速计算机访问慢速
14、ISA 设备时是必需。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种同步机制将破坏共享资源中数据完整性 RTLinux 提供种简单加锁方法 mutex 来控制对共享资源存取并支持 OSIXpthread_mutex_family 组3目前有以下可以使用：pthread_mutexattr_getpshared /得到指定属性线程共享属性值；pthread_mutexattr_pshared /设置指定属性线程共享属性值；pthread_mutexattr_init /化 mutex 属性；pthread_mutexattr_destroy /删除 mutex 属性；pthread_
15、mutexattr_type /设置 mutex 信号类型；pthread_mutexattr_gettype /得到 mutex 信号类型；pthread_mutex_init /按指定属性化 mutex；pthread_mutex_destroy /删除给定 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 已被锁定立即返回；pthread_untex_unlock /解锁 mutex；互斥信号类型有 PTHREAD_MUTEX_NORMAL
16、（default POSIXmutexes）PTHREAD_MUTEX_SPINLOCK（spinlocks）3 、RTLinux 编程实例分析下面结合个具体 parport.c4对 RTLinux 编程特点加以说明 parport.c 中实时线程在并口 2、3 脚（并口数据 D0 和 D1）上周期输出信号 1 而对应硬件中断 7 实时中断服务将在并口 2、3 脚输出信号 0 连接并口 2 脚和 10 脚（并口确认信号线对应于计算机中断 7）则可在并口 2、3 脚上产生个方波信号 parport.c 源如下：# # # # # # pthread_t thread;unsigned r_han
17、dler(unsigned irq,struct pt_regs *regs) ; /中断服务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 70；void * start_routine (void *arg) /实时线程struct sched_param p; /定义实时线程控制参数数据结构p.sched_priority = 1; /设置优先级为 1pthread_schedparam (pthread_self,SCHED_FIFO, /设置实时线程控制参数pthread_make_periodic_np(pt
18、hread_self,gethrtime,100000);/启动周期为 10ns 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0；init_module(void) /化模块status;rtl_irqstate_t f; /保存当前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 处理rtl_prf(“rtl_request_irq:%d“,status); /输出控制台outb_p(inb_p(0x37A)
19、|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_errupts(f); /按照变量 f 恢复当前中断状态标志并使能中断pthread_create ( /禁止中断 7pthread_delete_np(thread); /删除实时进程 threadparport.cmake 文件如下：all：parport.ortl.mkclean：rm -f *.0按照如下命令对进行编译：make运行对采用以下命令：modprobe rtl_sched /调入所需处理模块insmod parport.o /调
20、入 parport.o 模块连接并口 2 脚和 10 脚即可通过示波器在并口 3 脚上观测到输出方波信号。可以看到 RTLinux 实时被编写成可加载 Linux 内核模块它能被动态地加入内存不能执行 Linux 系统模块化代码对实时任务结构作化把实时任务时限、周期和释放时间等实时参数传递给 RTLinux。通过对 Linux 最小改动提供种可靠且廉价硬实时操作系统 RTLinuxRTLinux 开发者可以充分利用 Linux 提供各种方便来编写任务非实时部分加速自己任务进度目前 RTLinux 最新版本为 3.1 支持 Linux2.4 内核源代码可以通过网站 http:/www.rtlinux.org/免费下载。
