一種改進嵌入式Linux操作系統(tǒng)實時性的新型方案

對嵌入式linux進行實時性改進是嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個研究熱點。本文在分析了現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)實時性不足的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的改進方案(將rtai和uclinux相結(jié)合)，并給出具體的工控應(yīng)用實例，進一步對這種系統(tǒng)的功能進行有效驗證。
嵌入式實時linux架構(gòu)。
嵌入式linux以代碼開放、價格低廉、功能強大又易于移植的特性正在被廣泛應(yīng)用，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了一個極具吸引力的選擇。但許多實際應(yīng)用，譬如多媒體通信、生產(chǎn)過程控制、在線事務(wù)處理等等都要求對外部事件在限定的時間內(nèi)做出反應(yīng)。因而嵌入式系統(tǒng)實時性問題越來越受到關(guān)注，對嵌入式linux進行實時性改進也成為嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個研究熱點。

圖1：雙內(nèi)核實時系統(tǒng)

本文提出了一種基于uclinux的嵌入式實時操作系統(tǒng)方案。將rtai和uclinux相結(jié)合，既滿足了嵌入式應(yīng)用的需求，同時又保證了系統(tǒng)的硬實時性。此外，還有強大的網(wǎng)絡(luò)功能、易升級性、易移植性等優(yōu)點。最后結(jié)合基于這一操作系統(tǒng)開發(fā)的重大裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用案例，進一步從功能和性能上對其進行驗證。

現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題

一個優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。它除了具備一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件功能等，還需要具有以下特點：
1. 更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性；
2. 占有更少的硬件資源；
3. 高可靠性；
4. 提供強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持tcp/ip協(xié)議及其他協(xié)議；
5. 有些應(yīng)用要求具有實時性能。

現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)大致可分為商用型和免費型兩類：商用型操作系統(tǒng)由于功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，在嵌入式市場占有一定的份額。但它同時也存在價格昂貴、需要版權(quán)、源代碼不公開等一系列問題；免費型操作系統(tǒng)(如linux)源碼公開，有價格方面的優(yōu)勢，但在嚴格滿足嵌入式實時應(yīng)用需求方面還有欠缺。

rtai對linux的實時性改進

現(xiàn)有幾種針對linux的實時系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)方法主要包括兩種：
1)直接修改linux內(nèi)核、增加實時性，如：montavista；
2)在普通linux內(nèi)核之上增加實時模塊、雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如：rtlinux或rtai。

montavista可以滿足用戶的軟實時要求，rtlinux或rtai著重增強linux的硬實時特性。軟實時系統(tǒng)的時限是柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時錯誤。失敗造成的后果并不嚴重，僅僅是輕微地降低了系統(tǒng)的吞吐量。硬實時系統(tǒng)有一個剛性的、不可改變的時間限制，它不允許任何超出時限的錯誤。超時錯誤會帶來損害甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失敗、或者導(dǎo)致系統(tǒng)不能實現(xiàn)它的預(yù)期目標。

rtai采用雙內(nèi)核方法，不直接使用linux的任何功能，而是把需要高度時間精度的工作寫成一個驅(qū)動程序的形式，然后直接用pc時序芯片所產(chǎn)生的中斷調(diào)用這個驅(qū)動程序。rtai與nmt rt-linux的最大不同之處在于，它在linux上定義了一組實時硬件抽象層(rthal)。rthal將rtai需要在linux中修改的部分定義成一組程序界面，rtai只使用這組界面和linux溝通。這樣做的好處在于，用戶可以將直接修改的linux核心程序代碼減至最小，這有可能使得將rthal移植到新版linux的工作量減至最低。

但是，rtai雖然滿足了硬實時性要求，卻沒有被裁減為足夠小且適用于嵌入式系統(tǒng)。

rtai+uclinux的實時方案

uclinux是為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，它本身并沒有更多地關(guān)注實時問題。uclinux經(jīng)過小型化改造，形成了一個高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式linux，并保留了linux大多數(shù)的優(yōu)點。它專門針對無mmu的cpu，去除了普通linux內(nèi)核中的虛擬內(nèi)存管理部分。更重要的是，uclinux提供了完整的tcp/ip協(xié)議棧，并支持大量其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為嵌入式系統(tǒng)提供了強大的網(wǎng)絡(luò)支持。

而從前面的分析可以看出，rtai是基于普通linux內(nèi)核，相對于嵌入式應(yīng)用其內(nèi)核過于龐大；而uclinux本身并沒有更多地關(guān)注實時問題。因此，可以將rtai和uclinux相結(jié)合，采用雙內(nèi)核的設(shè)計方案，既滿足了嵌入式應(yīng)用的需求，又保證了系統(tǒng)的硬實時性。

1．硬件抽象層

系統(tǒng)的實現(xiàn)基礎(chǔ)是硬件抽象層，通過硬件抽象層進行硬件管理，把基本內(nèi)核和實時內(nèi)核結(jié)合在一起，其中一個內(nèi)核的改變，不會影響另一個內(nèi)核的執(zhí)行。

硬件抽象層定義了本系統(tǒng)同硬件之間的抽象接口，主要用來截取硬件中斷，并且依據(jù)實時內(nèi)核調(diào)度器的需求，重定向為基本內(nèi)核任務(wù)或是實時任務(wù)。rthal包含一個關(guān)鍵的組件：中斷描述符表(idt，interrupt descriptor table)，它定義了一套指針用來處理中斷例程。rthal本身定義了一個結(jié)構(gòu)，使得基本內(nèi)核中斷處理函數(shù)能夠很容易地被實時處理函數(shù)所替代。這樣，當(dāng)實時內(nèi)核通過rthal激活后，新的idt表為合法。在以上控制下，基本內(nèi)核作為實時系統(tǒng)的任務(wù)提供服務(wù)。

2．雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)

雙內(nèi)核實時系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，主要包含了基本內(nèi)核、實時內(nèi)核、硬件抽象層、硬件部分。

其中基本內(nèi)核(uclinux)和實時內(nèi)核(rtai)分別處理非實時和實時任務(wù)的調(diào)度和執(zhí)行，而實時任務(wù)和非實時任務(wù)之間信息的交換要通過管道(fifo)或共享內(nèi)存(mbuff)來實現(xiàn)。當(dāng)實時任務(wù)運行時，基本內(nèi)核被硬件抽象層屏蔽。即實時內(nèi)核將基本內(nèi)核作為優(yōu)先級最低的一個任務(wù)來運行，只有在沒有實時任務(wù)運行的時候才予以調(diào)度。

3.實時內(nèi)核動態(tài)加載

嵌入式實時linux的實時內(nèi)核是動態(tài)加載的。實時任務(wù)被激活前，實時內(nèi)核并沒有啟動，基本內(nèi)核通過rthal透明訪問硬件，就像rthal不存在一樣。當(dāng)實時任務(wù)被激活時，rthal結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，基本內(nèi)核被實時內(nèi)核接管，圖2表明了實時內(nèi)核啟動前后，系統(tǒng)發(fā)生的變化。

4．調(diào)度處理

當(dāng)中斷到來時，實時內(nèi)核判斷它是基本內(nèi)核中斷還是屬于實時中斷，分別進行處理。若是基本內(nèi)核中斷，如果當(dāng)前有實時任務(wù)正在運行，則只是設(shè)置一下中斷標志位，懸掛此中斷，如果沒有實時任務(wù)運行，則調(diào)用基本內(nèi)核的中斷處理程序；如果此中斷是實時中斷，就直接調(diào)用相對應(yīng)的實時中斷處理程序。注意，實時中斷可以搶先基本內(nèi)核任務(wù)的執(zhí)行。系統(tǒng)的中斷處理流程如圖3所示。

應(yīng)用案例

工業(yè)控制是嵌入式實時操作系統(tǒng)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，需要嚴格的實時處理功能、高可靠性和良好的開放性，對開發(fā)環(huán)境、可操作性、成本等也有特別的要求。因此本項研究以重大裝備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)作為其應(yīng)用之一。

1.嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用針對工業(yè)生產(chǎn)中使用的大型設(shè)備在連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的遠程監(jiān)控問題，研究用于重大裝備遠程監(jiān)控的嵌入式裝置。系統(tǒng)主要包括輸入/輸出模塊(netio)和輸入/輸出上位模塊(netweb)，前者用于實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集(輸入)，或用于現(xiàn)場裝置的控制(輸出)，后者集成了web功能，使得用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)對輸入/輸出模塊進行訪問。兩類模塊通過網(wǎng)絡(luò)相連接，在本系統(tǒng)中為通過串行485總線。嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2．netweb對嵌入式linux的功能驗證

netweb的開發(fā)基于前面介紹的嵌入式實時linux操作系統(tǒng)。特殊的雙內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了應(yīng)用開發(fā)的特殊性。 1)任務(wù)管理功能

系統(tǒng)中的任務(wù)可以分為實時性任務(wù)和非實時性任務(wù)，實時任務(wù)包括實時數(shù)據(jù)采集、處理等方面，這部分的功能要在實時內(nèi)核rtai之上進行實現(xiàn)；另外，非實時任務(wù)主要包括數(shù)據(jù)存儲、遠程通訊的實現(xiàn)，這部分功能要在基本內(nèi)核uclinux之上實現(xiàn)。

嵌入式實時linux將實時任務(wù)與非實時任務(wù)分開管理，實施不同的調(diào)度策略和任務(wù)間通信方式，至于實時任務(wù)與非實時任務(wù)之間的通信可以通過實時的fifo或共享內(nèi)存實現(xiàn)。這樣的功能使應(yīng)用的編寫簡潔清晰、功能明確、調(diào)度靈活，方便了用戶。

2)網(wǎng)絡(luò)功能

嵌入式實時linux實現(xiàn)了嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將web服務(wù)器引入到現(xiàn)場測試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘詔cp／ip為底層通信協(xié)議，web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試和控制設(shè)備。

嵌入式web與傳統(tǒng)web應(yīng)用相比，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將信息采集和信息發(fā)布都集成到現(xiàn)場的測控設(shè)備中。由于有了標準的接口形式和通信協(xié)議，內(nèi)嵌于設(shè)備的web服務(wù)器可以向任何接入它所在網(wǎng)絡(luò)的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面，瀏覽器成了設(shè)備的前端控制板。

3)實時性

嵌入式實時linux是硬實時的嵌入式操作系統(tǒng)。當(dāng)中斷到來時，若是基本內(nèi)核中斷，如果當(dāng)前有實時任務(wù)正在運行，則只是設(shè)置一下中斷標志位，懸掛此中斷；如果此中斷是實時中斷，就直接調(diào)用相對應(yīng)的實時中斷處理程序。這樣的調(diào)度機制可以保證遠程監(jiān)控系統(tǒng)中實時任務(wù)在確定的時間限度內(nèi)完成，為系統(tǒng)故障的實時預(yù)報、診斷、控制提供了強有力的支持。

此外，系統(tǒng)還從時間管理、內(nèi)存管理、中斷管理、同步、互斥管理以及設(shè)備管理等方面對這一操作系統(tǒng)的功能進行評估驗證。

本文小結(jié)

盡管將linux進行嵌入式實時性改進的方案很多，但是采用rtai＋uclinux的還未見到成型的產(chǎn)品。這一方案既符合嵌入式系統(tǒng)的需求，又達到硬實時性標準，同時還有強大的網(wǎng)絡(luò)功能、易升級性、易移植性等優(yōu)點。 同時，在其上進行應(yīng)用編程時實時任務(wù)(基于rtai)和非實時任務(wù)(基于uclinux)是分開編寫的，清晰簡潔，但由于用戶需要直接在內(nèi)核空間編程，從系統(tǒng)的安全性角度存在很大隱患。希望可以通過進一步討論研究使其更加完善。