嵌入式Linux實時化技術(shù)

　　● 雙內(nèi)核方式

　　Linux內(nèi)核實時化雙內(nèi)核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等為典型代表。其中RTLinux實現(xiàn)了一個微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)支持底層任務(wù)管理、中斷服務(wù)例程、底層任務(wù)通信隊列等。普通Linux作為實時操作系統(tǒng)的最低優(yōu)先級任務(wù)，Linux下的任務(wù)通過FIFO命名管道和實時任務(wù)進(jìn)行通信，如圖1所示。

　　當(dāng)Linux要關(guān)閉中斷時，實時微內(nèi)核會截取并記錄這個請求，通過軟件來模擬中斷控制器，而沒有真正關(guān)閉硬件中斷，避免了由于關(guān)中斷所造成的響應(yīng)延遲。RT-Linux將系統(tǒng)實時時鐘設(shè)置為單次觸發(fā)模式，提供微秒級的時鐘精度。RTAI類似RTLinux的實現(xiàn)方式，不同之處在于它修改了體系結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼，形成一個實時硬件抽象層(RTHAL)，使其實時任務(wù)能在任何時刻中斷普通Linux任務(wù)，兩者之間通過非阻塞隊列進(jìn)行通訊。RTAI將直接修改Linux內(nèi)核的代碼減至最少，具有更好的可移植性。Xenomai以RTAI為基礎(chǔ)，也稱RTAI /Fusion。采用了Adeos微內(nèi)核替代RTAI的硬件抽象層。其特色還在于模仿了傳統(tǒng)RTOS的API接口，推動傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用在GNU/Linux下的移植。類似還有基于Fiasco微內(nèi)核的L4Linux等開源項目。

　　● 內(nèi)核補丁方式

　　雙內(nèi)核實時方案下，實時任務(wù)需要按照微內(nèi)核實時操作系統(tǒng)提供的另外一套API進(jìn)行設(shè)計。而內(nèi)核補丁方式則不改變Linux的API，原有應(yīng)用程序可在實時化后的操作系統(tǒng)上運行，典型的有早期研究性的Kurt-Linux和Red-Linux，商業(yè)版本的MontaVista、TimeSys 和Wind River Linux，以及現(xiàn)階段Ingo Monlnar等人開發(fā)的實時搶占補丁內(nèi)核等[3]。

　　Kurt-Linux是第一個基于普通Linux的實時操作系統(tǒng)。通過正常態(tài)、實時態(tài)和混合態(tài)進(jìn)行實時和非實時任務(wù)的劃分。RED-Linux通過任務(wù)多種屬性和調(diào)度程序，可以實現(xiàn)多種調(diào)度算法。采用軟件模擬中斷管理，并在內(nèi)核插入了許多搶占點，提高了系統(tǒng)調(diào)度精度。

　　MontaVista Linux在低延遲補丁以及可搶占內(nèi)核補丁基礎(chǔ)上[4]，通過開發(fā)內(nèi)核O(1)實時調(diào)度程序并對可搶占內(nèi)核進(jìn)行了改進(jìn)和測試，Linux 2.4內(nèi)核時代，MontaVista Linux 作為商業(yè)成熟產(chǎn)品在實時性上有較強的優(yōu)勢。TimeSys Linux通過內(nèi)核模塊的方式也提供了高精度時鐘、優(yōu)先級繼承mutex等支持。

　　2.6版本的主流內(nèi)核吸收了以上技術(shù)，支持CONFIG_PREEMPT_NONE，CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY和CONFIG_PREEMPT等多種配置選項。分別適合于計算型任務(wù)系統(tǒng)，桌面用戶系統(tǒng)和毫秒級延遲嵌入式系統(tǒng)。2005年，針對2.6內(nèi)核MontaVista推出了實時Linux計劃，推進(jìn)了Linux內(nèi)核實時化進(jìn)程。隨后Ingo Molnar發(fā)布了新的實時搶占補丁，并逐漸成為Linux內(nèi)核實時主流技術(shù)，也為包括MontaVista Linux，Wind River Linux采用和補充，本文后續(xù)內(nèi)容要涉及實時搶占補丁。