uClinux操作系统的实时化分析与研究

摘要：增强µClinux的实时性能是工业控制等实时性要求高的领域的必然要求，也是µClinux操作系统研究的关键技术之一。本文将RTAI移植至µClinux系统中，既满足了嵌入式应用的需求，同时又保证了系统的硬实时性。最后，给出了在RTAI+µClinux环境下开发实时系统应用程序的设计方法。

关键词：µClinux;实时性;RTAI;实时内核

1.引言

嵌入式Linux作为一个开放源代码的操作系统，以价格低廉、功能强大又易于移植的特性正在被广泛应用，µClinux是专门针对没有MMU(Memory Manage Unit)的处理器而设计的嵌入式Linux，非常适合中低端嵌入式系统的需求。µClinux虽然符合POSIX1003.1B关于实时扩展部分的标准，但其最初的设计目标为通用分时操作系统，如果把µClinux用在工业控制、进程控制等微控制领域内，必须要增强µClinux的实时性能。

目前，对嵌入式Linux的实时化改造方案主要有3种：一种是直接修改内核插入抢占点[3]，另外一种是资源内核方法[4]，最后一种是双内核架构的解决方案。但3种方法中前两种都只能用于软实时应用，只有双内核[2]架构的方案可以保障硬实时应用需求。目前，Linux平台下开发的具有硬实时功能的系统主要有：RTLinux和RTAI[1](Real Time Application Interface)。基于RTAI增强Linux的实时性方面研究得比较多，但是，基于RTAI增强µClinux实时性方面还未见到成型的产品。因此，本文借鉴RTAI对Linux的实时改进机理，对µClinux的实时性改造进行了分析与研究。

2. µClinux的内存管理

标准Linux使用虚拟存储器技术，应用在带有MMU的处理器上，虚拟地址被送到MMU，把虚拟地址映射为物理地址。而µClinux同标准Linux的最大区别就在于内存管理，只有了解它们内存管理的差异后，才能更好地利用RTAI对µClinux进行实时化改造。

µClinux虽然为嵌入式系统做了许多小型化的工作[5]，但µClinux与标准Linux的架构完全一致。µClinux虽然无法使用处理器的虚拟内存管理技术，但µClinux仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储器进行分页，在加载应用程序时分页加载。一个进程在执行前，系统必须为进程分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间中。µClinux采用实存储器管理策略，通过地址总线对物理内存进行直接访问。所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，操作系统对内存空间没有保护，所有的进程都在一个运行空间中运行(包括内核进程)。

在µClinux系统中，缺少了 MMU的内存映射，µClinux必须在可执行文件加载阶段对可执行文件reloc处理，使得程序执行时能够直接使用物理内存;其次，µClinux没有自动生长的堆栈，也没有brk()函数，用户空间的程序必须使用mmap()命令来分配内存;同时，在实现多个进程时需要实现数据保护，µClinux虽然支持fork()函数，但实质是所有的多进程管理都通过vfork()函数来实现。vfork()是µClinux与标准Linux应用程序的开发中最重要的不同之处，只有对vfork()与fork()两个函数的差异和程序处理机制有详细的了解后，才能顺利地完成从Linux到µClinux的程序移植。

3. 基于RTAI的Linux硬实时支持方案

3.1 RTAI简介

RTAI for Linux[6]是双内核架构的Linux实时化方案的典型代表，它由意大利的Milan大学主持，是近年来非常活跃的开源项目。系统的实现基础是在Linux上定义了一组实时硬件抽象层RTHAL(Real Time Hardware Abstraction Layer)，通过RTHAL进行硬件管理，把基本内核和实时内核结合在一起，其中一个内核的改变，不会影响另一个内核的执行，RTHAL将RTAI需要在Linux中修改的部分定义成一组程序界面，RTAI只使用这组界面和Linux沟通，其系统结构如图1所示。

3.2 RTAI的RTHAL

RTAI从内核中提取一个 RTHAL，RTAI首先是一个中断分发器，当RTAI模块被加载后，CPU中断仍由Linux管理，RTAI只接管外部设备的中断并分发(有可能仍分发给Linux)。这种接管是通过RTHAL来实现的，RTHAL包含一些重要的函数和数据结构，RTAI模块可能修改的内容都收集在此结构体中.

当RTAI装载时，只需要重新设置RTHAL中的各项内容。内核需要修改执行RTHAL以代替原来的内容，如

do_IRQ(irq,&dummy);

被修改为：

rthal.c_do_IRQ(irq,&dummy);

Linux初始化RTHAL为指向原始的函数和数据结构，RTHAL仅仅进行重定向。当RTAI被激活，RTHAL保存并且改变这些函数的值为RTAI自己的内容。以上段代码为例，当RTAI还没有加载时，rthal.c_do_IRQ的值就是Linux的do_IRQ，当RTAI被加载时，RTAI执行以下代码，将rthal.c_do_IRQ替换成RTAI自己的分发器：

rthal.c_do_IRQ=dispatch_irq;

3.3 RTAI的中断处理机制

RTAI的最核心部分就是其中断处理机制。RTAI构建了一个小实时内核接管硬件及中断，支持EDF，RM两种经典实时调度算法，Linux作为此实时内核的最低优先级任务被执行。因而实时任务执行时，Linux及其应用程序将被抢占。RTAI引入了软中断模拟技术，在发生硬件中断时，实时内核只是把它放到中断记录表中，在没有实时应用运行时才向Linux派发这些被保留的中断。同时实时内核还监控Linux的开/关中断原语，以避免这些操作把实际的中断关闭而影响实时内核的响应时间。主要包括以下几个方面：

①函数替换

首先是Linux的开/关中断等函数被RTAI提供的函数所替代，这样Linux不能真正的关闭中断，而只是一个软件的机制。当外设中断到来时，RTAI的替换函数必须检查硬件中断标志是否关闭和调用是否来自RTAI上下文。在此两种情况之下，不能直接调用Linux的中断处理函数，中断分发器只用于当CPU处于Linux上下文并且Linux开中断时，才调用Linux的中断处理例程(ISR)。

②全局变量

RTAI为每个中断源定义了一个全局的数据结构：[!--empirenews.page--]

struct linux_irq{struct list_head list;

int irq;

int masked;

int pending;}

其中list_head用于从Linux的中断挂起队列中插入或删除。irq被初始化为此结构体所对应的中断号。masked是一个标志位，可能具有以下3种值：1表示在中断延迟函数中设置;2表示由Linux中断mask函数设置;3表示由Linux中断unmask函数设置。

③中断传递

中断传递可能被RTAI中断分发器或Linux的开中断函数所调用。当Linux打开中断时，检查挂起中断链表是否为空，若不为空，则循环进行处理，直到所有中断都被处理为止。其算法如下：

while(irqlist 不空){

从irqlist队列中取出一个中断;

if(该中断正在被屏蔽) continue;

else{关闭Linux中断;执行中断处理例程;开中断;}}

3.4 RTAI的任务调度

①细粒度定时器的实现

标准Linux的定时器提供10ms的调度粒度，不足以达到实时响应速度的要求。RTAI通过提高系统时钟精度改写了时钟处理程序，使之支持更高分辨率时钟的周期模式，引入了两种定时器模式：periodic(周期性)和one shot(一次性)。对于周期性实时任务应用periodic模式，只需要在初始化时对定时器进行设置，保证了处理效率;对于非周期实时任务应用one shot模式。在任何时刻，时钟的下一次中断间隔由所有定时器中到期最早的一个来决定。一旦定时器到期，内核便能够立刻响应，内核的响应开销只由中断服务的时间所决定，使得实时应用的响应时间可以达到纳秒级的水平，完全可以满足一般工业应用实时控制的要求。

②调度机制

在实时任务之间、实时任务与Linux应用之间提供丰富的通讯机制(如FIFO管道、MBUFF共享内存等)进行通信;Linux应用可以通过这些通讯机制与实时应用交互，同时也可以通过实时内核中的实时应用代理(LXRT)运行实时任务。

任何实时任务的优先级都要高于Linux，只有当没有实时任务运行时，Linux才被调度，从而保证了RTAI的实时性。任务的调度周期在任务初始化时由程序员指定，也可在某个时刻调用API修改。 rt_task_struct包含多个双向指针，所有的任务(包括Linux)都包括在各个链表中。如ready任务链表，其中Linux为链表头，当发生调度时，RTAI在ready链表中搜寻优先级最大的任务并切换执行，当没有实时任务在ready态时，则切换至Linux系统。

4. RTAI在µClinux上的移植

4.1 RTHAL的移植

借鉴RTHAL的思想，对µClinux核心进行改动，将其与中断控制器隔离，核心中的所有中断操作指令都被替换成相应的宏。对于RTAI的移植而言，最重要的部分就是RTHAL的移植，RTAI绝大部分与处理器相关的代码都在这里，这里以作者所使用的S3C4510B(ARM7的核)和µClinux环境为例进行说明。由于RTAI已经有ARM处理器上的版本，因此可以参照 ARM7处理器的RTHAL来移植到S3C4510B上。由于µClinux为针对没有MMU处理器的操作系统，因此RTAI需要去除与MMU相关的代码。对于S3C4510B和µClinux，其RTHAL主要包括如下数据结构：

{指向IDT的指针;

打开/关闭中断函数(cli,sti&flags);

控制中断mask/unmask函数;

中断状态的数据描述符(status,hander,nestedlevel,…);}

4.2定时器的移植

如前面分析，对于一个实时操作系统，必须有精确的计时。在i386体系结构中，有时间标签计数器TSC(Time Stamp Count)，在S3C4510B处理器上没有这个寄存器，可以采用计时器2(Timer1)来模拟TSC的功能。每来一个时钟脉冲，Timer1的 TCNT1寄存器减1，减到零后产生时钟中断，再从TDATA1中读TCNT1的值，往复运行。具体的做法是使用一个内核的全局变量，每次时钟中断来以后，在Timer1的寄存器中读出值，计算其增量，为了使系统更精确，必须将Timer1中断设置为最高优先级，这样就可以模拟64位的TSC寄存器，从而得到当前的准确计时。

5.基于RTAI与µClinux的应用程序的开发

编写应用程序时，将实时系统的应用程序分为实时任务和非实时任务。实时任务是实时模块，作为µClinux核心可加载模块运行在核心态。它的设计应尽可能简单，仅包含那些有强实时要求的处理模块，如实时数据采集、外部设备控制等。非实时任务是普通的µClinux进程，在用户态执行，完成大部分的数据处理、图形显示和通讯等任务。所有的实时任务均按照对实时性要求的高低来进行优先级排队，系统根据优先级的高低来顺序启动各个实时任务。而位于用户态的界面，当作一个背景程序来执行。核心态的任务优先级总是高于用户态的界面任务，且不能被其抢占。实时任务和非实时任务之间可通过FIFO队列和共享内存等方法通信。基于RTAI的µClinux应用程序结构图如图2所示。

实时系统的启动和结束可以用一个Shell程序来执行，它的功能是实现各任务模块的加载和卸载，以及用户界面的运行。Shell程序是介于使用者和操作系统的内核程序间的一个界面，使用户更为方便的使用操作系统。由于各个模块之间具有相互依赖性，所以在加载和卸载各个模块时按照一定的顺序。首先要将RTAI提供的实时模块加载，包括rtai、rtai_sched、 rtai_fifos和rtai_shm等模块;然后装入系统的各个实时模块。卸载模块的时候按照相反的顺序依次卸载。实时系统的程序流程图如图3所示。

6.结束语

作者已将改造后的µClinux系统应用在了江苏省普通高校自然科学研究计划资助项目“机房环境设备安全监控软件平台的研制”等项目中，均取得了良好的效果，解决了µClinux在实时性方面的缺陷，满足了设计要求。

本文作者创新点是：实现了RTAI在µClinux上的移植，形成了RTAI和µClinux相结合的双内核嵌入式系统运行方案，既满足了嵌入式应用的需求，又保证了系统的硬实时性。