構(gòu)建基于RTLinux的嵌入式系統(tǒng)研究與開發(fā)
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關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);RTLinux;IwIP;設(shè)備驅(qū)動程序
引 言
Linux或經(jīng)過簡單改進的Linux都是不能運行實時任務(wù),這是因為Linux的“公平”時間分配的調(diào)度算法要保證分配給每一個用戶程序占用CPU時間,然而實時任務(wù)對執(zhí)行時間要求很嚴(yán)格,如每隔200ns從傳感器取樣的實時任務(wù)。Linux系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存的內(nèi)存管理使得任何用戶進程的頁面在任何時刻都能被交換到硬盤或外存儲器中,這樣在Linux中將需要的頁面返回到RAM中也需要花費一段不確定的時間。另外,對任務(wù)執(zhí)行的時間和任務(wù)完成時間都是沒有精確的可預(yù)知性的。Linux操作系統(tǒng)的“天生”缺陷使得Linux無法滿足實時嵌入式系統(tǒng)的實時系統(tǒng)要求。在本文中我們主要討論實時操作系統(tǒng)RTLinux和Linux有機集成在一起,構(gòu)成了一個全新的實時系統(tǒng)。
RTLinux的實現(xiàn)機理
RTLinux是美國新墨西哥州大學(xué)計算機科學(xué)系VictorYodaiken和Micae Brannanov開發(fā)的。它在Linux內(nèi)核的下層實現(xiàn)了一個簡單的實時內(nèi)核,而Linux本身作為這個實時內(nèi)核的優(yōu)先級最低的任務(wù),所有的實時任務(wù)的優(yōu)先級都高于Linux系統(tǒng)本身的以及Linux系統(tǒng)下的一般任務(wù)。RTLinux的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
RTLinux的設(shè)計思想是:應(yīng)用硬件的實時約束將實時程序分割成短小簡單的部分,較大部分承擔(dān)較復(fù)雜的任務(wù)。根據(jù)這一原則,將應(yīng)用程序分為硬實時和程序2個部分。硬件實時部分被作為實時任務(wù)來執(zhí)行,并從外部設(shè)備拷貝數(shù)據(jù)到一個叫做實時有名管道(RTFIFO)的特殊I/O端口;程序主要部分作為標(biāo)準(zhǔn)Linux進程來執(zhí)行。它將從RTFIFO中讀取數(shù)據(jù),然后顯示并存儲到文件中,實時部分將被寫入內(nèi)核。設(shè)計實時有名管道是為了使實時任務(wù)在讀和寫數(shù)據(jù)時不被阻塞。圖2所示的是實時有名管道結(jié)構(gòu)圖。
RTLinux通過對標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核進行改造,將Linux內(nèi)核工作環(huán)境作了一些變化。如圖2所示,在Linux進程和硬件中斷之間,本來由Linux內(nèi)核完全控制,現(xiàn)在在Linux內(nèi)核和硬件中斷的地方加上了一個RTLinux內(nèi)核的控制。Linux的控制信號都要先交給RTLinux內(nèi)核進行處理。在RTLinux內(nèi)核中實現(xiàn)了一個虛擬中斷機制,Linux本身永遠(yuǎn)不能屏蔽中斷,它發(fā)出的中斷屏蔽信號和打開中斷信號都修改成向RTLinux發(fā)送一個信號。如在Linux里面使用“SI”和“CLI”宏指令,讓RTLinux里面的某些標(biāo)記做了修改。也就是說將所有的中斷分成Linux中斷和實時中斷兩類。如果RTLinux內(nèi)核接收到的中斷信號是普通Linux中斷,那就設(shè)置一個標(biāo)志位;如果是實時中斷,就繼續(xù)向硬件發(fā)出中斷。在RTLinux中執(zhí)行STI將中斷打開之后,那些設(shè)置了標(biāo)志位表示的Linux中斷就繼續(xù)執(zhí)行,因此,CLI并不能禁止RTLinux內(nèi)核的運行,卻可以用來中斷Linux。Linux不能中斷自己,而RTLinux可以。
這里體現(xiàn)了RTLinux設(shè)計過程中的原則:在實時模塊中的工作量盡量少,如果能在Linux中完成而不影響實時性能的話,就盡量在Linux中完成,因此,RTLinux內(nèi)核可以盡量做得簡單。在RTLinux內(nèi)核中,不應(yīng)該等待資源,也不需要使用共享旋轉(zhuǎn)鎖。實時任務(wù)和Linux進程之間的通信也是非阻塞的,從來不用等待進隊列和出隊列的數(shù)據(jù)。RTLinux將系統(tǒng)和設(shè)備的初始化交給了Linux 完成,對動態(tài)資源的申請和分配也交給了Linux。
RTLinux使用靜態(tài)分配的內(nèi)存來完成硬件實時任務(wù),因為在沒有內(nèi)存資源的時候,被阻塞的線程是不可能具有實時能力的。
輕量級TCP/IP協(xié)議棧IwIP向RTLinux的移植
IwIP概述
lwIP是瑞典計算機科學(xué)研究所(SICS)的計算機與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實驗室(CNA)的AdamDunkel設(shè)計的一個小型的獨立的TCP/IP協(xié)議棧。lwIPTCP/IP協(xié)議棧設(shè)計的思想是:在保持完整的TCP/IP協(xié)議棧的前提下最大限度的降低其所需的資源,以適應(yīng)只有十幾KbytesRAM和40Kbytes左右的ROM的嵌入式系統(tǒng)。IwIP協(xié)議棧包含了IP,IPv6,ICMP,UDP和TCP等協(xié)議。
IwIP協(xié)議棧不是像TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議那樣分不同層次,每一層分別負(fù)責(zé)不同的通訊功能。IwIP設(shè)計的初衷是應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)通常有較強的實時性和內(nèi)存容量有限等特點,因此IwIP在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中不是完全遵守網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的分層體系結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的。例如應(yīng)用層為了提高實時性,它并沒有遵守“上層調(diào)用下層提供的服務(wù),下層向上層提供服務(wù)”這個協(xié)議分層設(shè)計的原則,而是應(yīng)用層和其下層共享系統(tǒng)內(nèi)部的緩沖區(qū),從而節(jié)省應(yīng)用程序與下層協(xié)議之間的數(shù)據(jù)復(fù)制所需的系統(tǒng)開支。
IwIP除了上面提到的TCP/IP協(xié)議棧外,它還包含了一些應(yīng)用支撐模塊。這些支撐模塊是操作系統(tǒng)抽象層模塊(sys_archmodule)、內(nèi)存管理模塊、網(wǎng)絡(luò)功能接口模塊和校驗和計算模塊。這些模塊中,除了操作系統(tǒng)抽象層外,其他模塊都是相互獨立的。IwIP棧向RTLinux上的移植的關(guān)鍵點就是將它新增的對操作系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)添加或集成到操作系統(tǒng)抽象層模塊中。這樣,操作系統(tǒng)抽象層向其他調(diào)用它的模塊提供統(tǒng)一的API接口,使得系統(tǒng)的移植與具體的硬件系統(tǒng)無關(guān),降低了系統(tǒng)移植的復(fù)雜性。操作系統(tǒng)抽象層提供的外部應(yīng)用接口中包括了諸如線程管理、定時器管理以及中斷管理等系統(tǒng)資源管理接口。由于該部分內(nèi)容在很多書籍和資料中都已經(jīng)做了很詳盡的論述,在此不再做詳細(xì)闡述了。
RTLinux中的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的功能主要是賦予本機網(wǎng)絡(luò)IP地址、掩碼、網(wǎng)關(guān)地址和收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包等。IwIP包含有網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動程序,但是這些驅(qū)動程序是針對標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)的,而非RTLinux的,因此我們有要將這些網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動程序進行適當(dāng)?shù)母脑煲赃m用于RTLinux系統(tǒng)。在RTLinux系統(tǒng)中,我們是利用前面提到的RTFIFO對網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動程序進行功能擴展和性能改進。這樣,Linux系統(tǒng)和RTLinux系統(tǒng)就像2個獨立的系統(tǒng)。
RTLinux中進程之間、內(nèi)核與進程之間都是通過信號(signal)進行相互通信的。信號是基于POS2IX標(biāo)準(zhǔn),RTLinux的設(shè)備驅(qū)動程序也是基于POSIX標(biāo)準(zhǔn),它可以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的文件操作函數(shù)如open,read,write,close等。但是基于POSIXb標(biāo)準(zhǔn)的信號存在一個問題,那就是每次進程只能接收一個信號,后續(xù)的信號無法被接收,網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的這種“串行”處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的方式和網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐话l(fā)性的特點對嵌入式系統(tǒng)是一個很大的障礙和威脅。因為嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存是極其有限的資源,上述那種處理方式很容易造成系統(tǒng)緩沖區(qū)滿負(fù)荷從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存溢出,更壞的后果可能是導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。在研究了上述問題后,筆者借鑒了標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)中實時信號(Linux內(nèi)核沒有利用實時信號)的特點,提出了將數(shù)據(jù)包接收處理線程注冊到網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中,當(dāng)有數(shù)據(jù)包到達時,網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序即刻通知該線程去接收抵達的數(shù)據(jù)包。同時,在添加一個全程變量,用來跟蹤記錄當(dāng)前被掛起的信號數(shù)目。這樣既可以提高系統(tǒng)的處理接收數(shù)據(jù)包的實時性能,同時又解決了POSIX標(biāo)準(zhǔn)中信號接收的問題。這個處理機制的代碼實現(xiàn)也是很簡單的,其部分主要代碼如下所示。
do{
read(fd,(void3)receive,1546);
}while(dec_pendent_signals());
上面那段代碼中的dec_pendent_signals函數(shù)的功能流程大致如下:
intDec_pendent_signals()
{……
stop_interrupt(…);關(guān)中斷
if(pendent_signals==1)retval=0;
pendentsignals;接收并處理被掛起的信號對列里的一個信號allow_inerrupt(…);
開中斷
……}
中斷處理程序
網(wǎng)絡(luò)接口中斷處理程序也同樣存在前面提到的問題,即當(dāng)驅(qū)動程序正在處理一個數(shù)據(jù)包接收中斷時,后續(xù)數(shù)據(jù)包到達時網(wǎng)卡產(chǎn)生的硬件中斷都無法被驅(qū)動程序接收到。筆者在此提出了一個較為合理的解決方案。在網(wǎng)卡驅(qū)動程序初始化時,驅(qū)動程序給網(wǎng)卡分配一個指向系統(tǒng)內(nèi)存的指針,這個指針是個單循環(huán)指針鏈表。此設(shè)計的好處在于當(dāng)有數(shù)據(jù)包到達時,網(wǎng)卡可以將數(shù)據(jù)包緩存在這片系統(tǒng)內(nèi)存中,并將相應(yīng)的標(biāo)志位置位。當(dāng)該數(shù)據(jù)包被上層應(yīng)用成功接收后,該標(biāo)志位也復(fù)位。下面這段代碼是用直觀的程序語言進行描述的。
while(next_UPD->UpPkStatusUPLOADED){
receive_packet();}
代碼中的UPLOADED就是上面提到的標(biāo)志位。我們可以用更直觀的圖例描述這個解決方案,如圖3所示(圖3中的UPD表示接收包描述符,即Upload Packet Descriptors)。
從圖3我們可以看出:系統(tǒng)能否最大限度的降低丟包率,在很大程度上取決于接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的容量。一方面,嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存是很寶貴也很有限的資源,另一方面,系統(tǒng)能否正常工作以及性能穩(wěn)定在很大程度上又決定于內(nèi)存資源的合理布局與分配。就網(wǎng)絡(luò)接口而言,考慮到網(wǎng)絡(luò)中多播和組播數(shù)據(jù)包的存在,網(wǎng)絡(luò)接口需要把他們都接收下來,然后判斷該數(shù)據(jù)包是否是發(fā)給自己的。由于網(wǎng)絡(luò)中這樣的多播和組播數(shù)據(jù)包在所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中占有很大部分比例,因此,倘若網(wǎng)絡(luò)接口沒有及時處理收到的數(shù)據(jù)包,該數(shù)據(jù)包就可能被后續(xù)到達的數(shù)據(jù)所覆蓋。因此,如何從兩者中找到一個折衷的方案是在實踐過程中,針對具體的系統(tǒng)做不同的設(shè)計。
結(jié)束語
計算機與通信技術(shù)日新月異,尤其在因特網(wǎng)方面,將RTLinux應(yīng)用在針對實時嵌入式系統(tǒng)的研究與開發(fā)也越來越受到人們的關(guān)注。本文中我們比較詳細(xì)的介紹了將IwIP移植到RTLinx的過程,并就RTLinux下的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序設(shè)計作了比較深入的研究與實踐。實時嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前的研究與實踐的一個熱點,有許多問題亟需解決,本文只是冰山上的一角,希望能拋磚引玉。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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