基于Xenomai的實時Linux分析與研究
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隨著嵌入式設(shè)備的快速發(fā)展，嵌入式設(shè)備的功能和靈活性要求越來越高，很多嵌入式設(shè)備中都開始使用操作系統(tǒng)。由于工作的特殊性，很多嵌入式設(shè)備要求系統(tǒng)對外部事件的中斷響應(yīng)必須在事先設(shè)定的時限范圍內(nèi)完成，使系統(tǒng)具有可預(yù)測性，而通用的桌面操作系統(tǒng)大都是非實時或者是軟實時的，無法滿足需求，因此就必須使用實時操作系統(tǒng)(Real―Time Operating System，RTOS)。
實時操作系統(tǒng)是一個可以在有限確定的時間內(nèi)，對異步輸入進(jìn)行處理并輸出的信息系統(tǒng)。一個高性能的實時操作系統(tǒng)應(yīng)具備良好的綜合性能，包括系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、基本系統(tǒng)功能支持(如內(nèi)存和中斷管理)、APl支持和穩(wěn)定性等。
實時系統(tǒng)又有軟實時系統(tǒng)(soft real―time system)和硬實時系統(tǒng)(hard real―time system)之分。軟實時系統(tǒng)是指那些在系統(tǒng)負(fù)荷較重時，允許發(fā)生錯過時限(deadline)的情況而且不會造成太大危害的系統(tǒng)，如電視會議系統(tǒng)；而硬實時系統(tǒng)是指那些對每個任務(wù)的調(diào)度時間要求非常嚴(yán)格的系統(tǒng)，如果不滿足時間限制的要求，則會給系統(tǒng)帶來毀滅性的后果。比如數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給控制系統(tǒng)，在規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)給系統(tǒng)必須達(dá)到預(yù)定的位置，否則無法保證加工零件的精度，甚至無法完成加工。
在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，實時系統(tǒng)的核心是實時操作系統(tǒng)。目前已有很多商業(yè)實時操作系統(tǒng)，著名的有WindRiver公司的VxWorks，其他的有QNX、pSOS+等。它們的優(yōu)點是具有非常好的穩(wěn)定性、可靠性和實時性，但是一般價格昂貴且互不兼容，而且源代碼作為商業(yè)秘密而不公開。與之相反，GPL協(xié)議下的Linux操作系統(tǒng)則為開發(fā)者在前人基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入的研究提供了可能。目前，具有代表性的Linux內(nèi)核實時性研究項目有RT―Linux、RTAI、Xenomai等。
1 Linux 2．6內(nèi)核的實時性分析
相對于老版本內(nèi)核，Linux 2．6版本的內(nèi)核結(jié)構(gòu)做了很大的改動，開發(fā)者對很多功能模塊的代碼都進(jìn)行了重寫。最為顯著的改進(jìn)是在影響系統(tǒng)實時性的進(jìn)程調(diào)度方面，包括采用可搶占內(nèi)核和新的0(1)調(diào)度程序。
但是Linux在最初的設(shè)計是用作個人PC或者小型服務(wù)器的操作系統(tǒng)，由于設(shè)計要求的針對性，導(dǎo)致了Linux無法提供硬實時環(huán)境，直接影響了它的硬實時性能。這主要表現(xiàn)在兩方面：
(1)進(jìn)程調(diào)度方式
Linux的進(jìn)程調(diào)度采用的是時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略。不論進(jìn)程優(yōu)先級的高低，Linux在某段時間內(nèi)都會分配給該進(jìn)程一個時間片運行，也就是說它的設(shè)計更注重任務(wù)調(diào)度的公平性。這種情況下，就會出現(xiàn)高優(yōu)先級進(jìn)程由于其時間片的耗盡而被迫放棄處理器，處理器被沒有耗盡時間片的低優(yōu)先級進(jìn)程所占用的現(xiàn)象。這樣顯然無法適用于實時性要求比較高的系統(tǒng)。
(2)時鐘粒度粗糙
在Linux 2．6版本內(nèi)核中，時鐘中斷發(fā)生的頻率范圍為50～1 200Hz，周期不小于0．8 ms，而工業(yè)上很多的中斷周期都在幾十μs之內(nèi)。
對于上面提到的影響Linux實時性的問題，目前的解決辦法主要有2種：
①對Linux內(nèi)核的內(nèi)部進(jìn)行實時改造，即直接修改Linux內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、調(diào)度方式以及中斷方式(主要是時鐘中斷)。
采用這種方法，實時化改造后的系統(tǒng)實時性較好，但是工作量大，并且可能會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。最大的缺點是：原本在Linux上運行的設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序不能直接在改進(jìn)的內(nèi)核上運行。典型代表有Kurt-Linux。
②對Linux內(nèi)核的外部實時擴(kuò)展，這種方法通常是采用雙內(nèi)核的辦法。具體是在Linux內(nèi)核和硬件間加入一個硬件抽象層(Hardware Abstract Layer，HAL)，系統(tǒng)所有的硬件中斷由這個抽象層控制。新創(chuàng)建一個內(nèi)核專門用來調(diào)度實時進(jìn)程，而普通進(jìn)程通過原來的Linux內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度。采用此方法的最大好處在于對Linux的內(nèi)核改動很小，而且原Linux上的設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序都能順利地在此實時系統(tǒng)上運行。其代表有RT―Linux、RTAI和Xenomai。
2 Xenomai原理與應(yīng)用
2．1 Xenomai簡介及其Adeos實現(xiàn)
Xenomai是一個自由軟件項目，提供了一個基于Linux的實時解決方案。它可以提供工業(yè)級RTOS的性能，而且完全遵守GNU／Linux自由軟件協(xié)議。目前最新穩(wěn)定版本是2．4．5。
Xenomai項目起始于2001年。從2003年夏天起，Xenomai和RTAI有了兩年時間的合作，期間開發(fā)了廣為人知的RTAI／fusion項目分支。到2005年，Xenomai項目又重新獨立出來。而從2．0．0版本開始，Xenomai在硬件平臺的移植就一直是基于Adeos構(gòu)架來實現(xiàn)的。
在基于Adeos的系統(tǒng)中，分為多個域。每個域中獨立運行一個操作系統(tǒng)(或者是實現(xiàn)一定功能的程序模塊)，每個域可以有獨立的地址空間和類似于進(jìn)程、虛擬內(nèi)存等的軟件抽象層。在各個域下層有一個Adeos通過虛擬中斷等方法來調(diào)度上面的各個域。在基于Adeos的系統(tǒng)中，存在著A、B、C、D四種類型的交互，如圖1所示。
A類交互是各個域直接操作硬件設(shè)備，包括訪問內(nèi)存等；B類交互指當(dāng)Adeos接收到硬件中斷后，會根據(jù)中斷來對相應(yīng)的域進(jìn)行中斷服務(wù)；C類交互指當(dāng)前域內(nèi)的操作系統(tǒng)主動向Adeos請求某些服務(wù)；D類交互是指Adeos接收硬件產(chǎn)生的中斷和異常，同時也可以直接控制硬件。其中，Adeos實現(xiàn)的功能主要包括中斷管道機(jī)制(I―Pipe)、域管理模塊和域調(diào)度模塊功能。
2．2 Xenomai用戶層實時的實現(xiàn)
Xenomai除了在內(nèi)核層利用Adeos實現(xiàn)了硬實時外，它在用戶空間也有很好的實時性。在S3C2410平臺上，為了實現(xiàn)用戶層的實時，Xenomai實現(xiàn)了一個硬件計數(shù)器――Decrementer。這個硬件計數(shù)器可以在用戶空問里很好地模擬TSC(Time Stamp Counter，時間戳計數(shù)器)。
同時，Xenomai在Linux內(nèi)核中加入了一個全新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)__ipipe_tscinfo，可以通過此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變量存放用戶層需要的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成如下：
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