利用RTLinux開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序

對于中國工程師來說，利用實時Linux開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序是他們面臨的困難之一，本文以RTLinux為例，并結(jié)合最為業(yè)界關(guān)注的是RTAI進(jìn)行討論，盡管這兩種實現(xiàn)方式在句法細(xì)節(jié)上存在差異，但工作方式基本一樣，因此所講述的內(nèi)容對兩者都適用。  

在實時任務(wù)與用戶進(jìn)程相互通信的過程中，有些實時應(yīng)用程序無需任何用戶界面即可在后臺平靜地運行，然而，越來越多的實時應(yīng)用程序確實需要一個用戶界面及其它系統(tǒng)功能，如文件操作或聯(lián)網(wǎng)等，所有這些功能都必須在用戶空間內(nèi)運行。問題是，用戶空間操作是非確定性的，而且與實時操作不兼容。  

幸運的是實時Linux具有一種可在時間上減弱實時與非實時操作的機制，這種機制表現(xiàn)為一種稱為實時FIFO的驅(qū)動程序。當(dāng)insmod將rtl_fifo.o驅(qū)動程序插入Linux內(nèi)核時，該驅(qū)動程序?qū)⒆约鹤詾镽TLinux的一部分，并成為Linux驅(qū)動程序。一旦插入Linux內(nèi)核，用戶空間進(jìn)程和實時任務(wù)都可使用實時Linux FIFO。  

在深入探討實時FIFO的細(xì)節(jié)之前，還要回顧一下實時應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的某些部分。有效的嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計方法是將實時部分與固有的非實時功能分離開來。如果應(yīng)用程序的任一部分，如用戶界面、圖形、數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡(luò)僅需軟實時性能，最好是將該部分寫入用戶空間。然后，僅將必須滿足時序要求的那部分寫成實時任務(wù)。  

注意：RTLinux(PSC，便攜式信號編碼)和RTAI(LXRT，Linux實時擴展)的最新版本已采用了一種可在用戶空間執(zhí)行軟和硬實時任務(wù)的方法。  

任何硬實時任務(wù)都是在RTLinux的控制下運行的，該任務(wù)一般可執(zhí)行周期性任務(wù)、處理中斷并與I/O設(shè)備驅(qū)動程序通信，以采集或輸出模擬和數(shù)字信息。當(dāng)實時任務(wù)需要告訴用戶進(jìn)程有一個事件將發(fā)生時，它便將這一消息送給實時FIFO。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數(shù)據(jù)：從實時任務(wù)到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個FIFO。任何讀出或?qū)懭雽崟r任務(wù)一側(cè)的操作都是非模塊操作，因此rtf_put()和rtf_get()都立即返回，而不管FIFO狀態(tài)是什么。  

從應(yīng)用程序一側(cè)來看，F(xiàn)IFO就像一個常規(guī)文件。缺省情況下，RTLinux安裝程序?qū)⒃?dev目錄下創(chuàng)建64個實時FIFO節(jié)點；如果需要，還必須自己創(chuàng)建新的節(jié)點。例如，要創(chuàng)建/dev/rtf80，需采用如下命令：  

mknod c 150 80；  
chmod 0666 /dev/rtf80  


其中，150是實時FIFO主數(shù)，而80是rtf80的次數(shù)。  

從用戶進(jìn)程的角度看，實時FIFO可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)文件操作。從實時任務(wù)來看，F(xiàn)IFO有兩種通信方式：直接調(diào)用RTLinux FIFO功能，或?qū)IFO作為一個RTLinux設(shè)備驅(qū)動程序，并使用open()、close()、read()和write()操作。要想將FIFO作為一個設(shè)備驅(qū)動程序，就必須將rtl_conf.h中的配置變量CONFIG_RTL_POSIX_IO設(shè)定為1。  

rtf_create_handler()可設(shè)置處理程序功能。每次Linux進(jìn)程讀或?qū)慒IFO時，rtl_fifo驅(qū)動程序都要調(diào)用該處理程序。應(yīng)注意的是，該處理程序駐留在Linux內(nèi)核，因此當(dāng)Linux需要調(diào)用時，從該處理程序進(jìn)行任何內(nèi)核調(diào)用都是安全的。從該處理程序到實時任務(wù)間的最好通信方法是使用旗語或線程同步功能。最后，F(xiàn)IFO驅(qū)動程序還必須對內(nèi)核存儲器進(jìn)行配置。因此，實時線程內(nèi)的rtf_create()不應(yīng)調(diào)用。相反，可調(diào)用init_module()中的rtf_create()功能及cleanup_module()中的rtf_destroy()功能。  

例如兩個FIFO都是在init_module()創(chuàng)建，并賦予minor numbers 為1和2。在調(diào)用rtf_create(minor, size)之前，該程序在已創(chuàng)建該FIFO的情況下調(diào)用rtf_destroy(minor)。這種情況就是另一個模塊在開發(fā)過程中未被調(diào)用。然后，調(diào)用rtf_create_handler(ID, &pd_do_aout)以注冊帶該實時FIFO的數(shù)據(jù)采集模擬輸出功能pd_do_aout()。注意，創(chuàng)建實時線程pp_thread_ep()是因為它是周期性的，其間隔為1/100秒。  

每次周期性線程得到系統(tǒng)控制權(quán)后，它就調(diào)用rtf_put(ID,dataptr,size)以便將數(shù)據(jù)插入minor number為2的FIFO。Linux進(jìn)程打開/dev/rtf2，從實時FIFO中讀取并顯示所采集的數(shù)據(jù)。該進(jìn)程還打開/dev/rtf1，將數(shù)據(jù)寫入其它實時FIFO。當(dāng)用戶移動屏幕滑動器以改變模擬輸出電壓時，進(jìn)程就向該FIFO寫入一個新的值。RTLinux便調(diào)用pd_do_aout()處理程序，隨后pd_do_aout()利用rtf_get()從FIFO獲得值，并調(diào)用實際的硬件驅(qū)動程序以設(shè)置模擬輸出的電壓?？梢钥吹?，實時任務(wù)和用戶進(jìn)程是異步使用FIFO的。  

任務(wù)間的存儲器共享  

FIFO為用戶進(jìn)程和實時任務(wù)的連接提供了一種方便的機制，但將它們作為消息隊列更合適。比如，一個實時線程可利用FIFO記錄測試結(jié)果，然后用戶進(jìn)程就可讀取該結(jié)果，并將之存入數(shù)據(jù)庫文件。  

許多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序涉及到內(nèi)核及用戶空間之間的大量數(shù)據(jù)。Linux內(nèi)核v. 2.2.x并沒有為這些空間的數(shù)據(jù)共享提供任何機制，但v. 2.4.0版本預(yù)計會包括kiobuf結(jié)構(gòu)。為解決現(xiàn)有穩(wěn)定內(nèi)核的這個缺點，RTLinux包括mbuff驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序可利用vmalloc()分配虛擬內(nèi)核存儲器的已命名存儲器區(qū)域，它采用的存儲器分配和頁面鎖定技巧跟大多數(shù)Linux中bttv幀抓取器(frame-grabber)驅(qū)動程序所用的一樣。  

更具體地說，mbuff一頁一頁地將虛擬內(nèi)存鎖定到實際的物理內(nèi)存頁面。任何實時或內(nèi)核任務(wù)，或用戶進(jìn)程在任何時間都可訪問該存儲器。通過將虛擬內(nèi)存頁面鎖定到物理內(nèi)存頁面，mbuff可確保所分配的頁面永久駐留在物理內(nèi)存，而且不會發(fā)生頁面錯誤。換言之，當(dāng)實時或內(nèi)核進(jìn)程訪問所分配的存儲器時，它可確保VMM不被調(diào)用。注意：由于實時任務(wù)執(zhí)行期間實時Linux凍結(jié)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的執(zhí)行，任何對VMM的調(diào)用都會引起系統(tǒng)暫停。如果它要訪問并不位于物理RAM內(nèi)的虛擬存儲頁面，那么即使正常的Linux內(nèi)核驅(qū)動程序也會引起系統(tǒng)故障。  

由于mbuff是一種Linux驅(qū)動程序，其功能可通過設(shè)備節(jié)點/dev/mbuff實現(xiàn)。該節(jié)點可顯示幾個錄入點，其中包括可將內(nèi)核空間地址映射到用戶空間的mmap()。它還可以利用錄入點ioctl()來控制。然而，并不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及直接調(diào)用ioctl。相反，mbuff可為ioctl()調(diào)用提供一個包裹，而且僅僅調(diào)用兩個簡單的功能即可配置和釋放共享的存儲緩沖器。  

當(dāng)然，不能從實時任務(wù)調(diào)用mbuff驅(qū)動程序，因為該驅(qū)動程序所調(diào)用的虛擬存儲器分配功能本身是不確定性操作。分配共享存儲器所需的時間依賴于主系統(tǒng)的存儲器容量以及CPU速度、磁盤驅(qū)動器性能和存儲器分配的現(xiàn)有狀態(tài)。因此，只能從模塊的Linux內(nèi)核一側(cè)來分配共享存儲器，比如從init_module()或一個ioctl()請求開始。  

那么，一個共享緩沖器到底能分配多少存儲器呢？如果不是任務(wù)繁重的服務(wù)器或圖形應(yīng)用，建議至少為Linux保留8MB存儲空間。為了獲得優(yōu)化的配置，可在限制存儲器大小的同時測量實時應(yīng)用程序的性能，以確定需要多少存儲空間。  

內(nèi)核模塊和用戶任務(wù)采用同樣的功能集。當(dāng)然，要想使用insmod mbuff.o，還必須將之置于Linux內(nèi)核中。例如，mbuff_alloc("buf_name", size)可將符號名buf_name分配給一個緩沖器，而mbuff_free("buf_name", mbuf)可將之釋放。  

當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用帶有符號緩沖器名的mbuff_alloc()時，mbuff執(zhí)行實際的存儲器分配。而當(dāng)從內(nèi)核模塊或用戶進(jìn)程再次調(diào)用該功能時，它只是簡單地增加使用數(shù)(usage count)及將指針返回現(xiàn)有的緩沖器。每次調(diào)用mbuff_free()都會減少使用數(shù)，直至為零，這時mbuff就去分配帶符號名的緩沖器。這種方法從多個內(nèi)核模塊和用戶進(jìn)程獲得一個指向同一共享緩沖器的指針，從而解決了問題。它還可確保共享緩沖器一直有效，直到最后的應(yīng)用程序釋放它。請注意，是實時內(nèi)核還是用戶進(jìn)程執(zhí)行實際的buf1配置依賴于誰先獲得控制權(quán)。  

還有一個“笨”方法可在實時應(yīng)用程序、內(nèi)核模塊和用戶應(yīng)用程序間共享存儲器。對于嵌入式應(yīng)用，該方法還是可以接受的。例如，如果PC帶有128MB RAM，可將線搜索路徑="mem=120m"添加進(jìn)lilo.conf文件。當(dāng)啟動帶有Linux內(nèi)核和RTLinux 2.3的系統(tǒng)時，Linux僅使用120MB內(nèi)存。OS也不用剩下的8MB內(nèi)存(物理地址為0x7F00000到0x7FFFFFF)，而是留給在OS下運行的各種任務(wù)共享。要想從用戶進(jìn)程獲取存儲器地址并訪問預(yù)留的存儲器，必須用O_RDWR訪問模式來打開/dev/mem驅(qū)動程序，然后利用mmap()保留存儲器。而從實時模塊或內(nèi)核驅(qū)動程序一側(cè)進(jìn)行，則必須使用ioremap(0x7F00000, 0x100000)才能獲取這8MB (0x100000字節(jié))預(yù)留內(nèi)存。  

這種方法有利有弊。既不能通過預(yù)留內(nèi)存的所有權(quán)，也不能通過讀或?qū)憗慝@取控制權(quán)。正確地配置和釋放大量內(nèi)存的機制尚未問世。另外，無論實時進(jìn)程是否需要，該內(nèi)存都不能為Linux所用。  

也許存儲器共享笨方法的唯一適用場合是專為特定應(yīng)用而定制的小型嵌入式系統(tǒng)，因為此時可為小型化而放棄使用mbuff驅(qū)動程序。  

中斷  

RTLinux有兩種中斷：硬中斷和軟中斷。軟中斷就是常規(guī)Linux內(nèi)核中斷，它的優(yōu)點在于可無限制地使用Linux內(nèi)核調(diào)用。這類中斷作為硬中斷處理的第二部分還是相當(dāng)有用的。  

硬(實時)中斷是安裝實時Linux的前提。要安裝中斷處理程序，先調(diào)用rtl_request_irq(...)，然后調(diào)用rtl_free_irq()釋放它。依賴于不同的系統(tǒng)，實時Linux下硬(或?qū)崟r)中斷的延遲是15μs的數(shù)量級。較快的處理器具有較好的延遲。如果想在實時處理程序和常規(guī)Linux驅(qū)動程序中處理同一設(shè)備IRQ，必須為每一個硬中斷單獨設(shè)置IRQ。  

RTLinux在執(zhí)行實時中斷處理程序時將禁止IRQ。應(yīng)注意，該代碼須在退出實時中斷處理程序前調(diào)用rtl_hard_enable_irq()才能重新使能中斷。  

有兩個問題影響直接從實時中斷處理程序調(diào)用Linux內(nèi)核功能：內(nèi)核禁止所有中斷及不定義執(zhí)行內(nèi)容。還應(yīng)注意的是，這里也不能執(zhí)行浮點操作。利用實時中斷處理程序來控制線程執(zhí)行是避免出現(xiàn)這些問題的好辦法。本例采用pthread_wakeup_np()功能來喚醒一個實時線程。中斷處理程序可處理即時的工作，余下的由該線程解決。  

SMP結(jié)構(gòu)的優(yōu)點  

實時Linux都支持多處理器架構(gòu)。對稱多處理器(SMP)結(jié)構(gòu)采用了高級可編程中斷控制器(APIC)，奔騰級處理器都有片上本地APIC，可為本地處理器傳送中斷。SMP(甚至單處理器母板)都有I/O APIC，可收集來自外設(shè)的中斷請求，并將它們傳送給本地APIC。舊的8259 PIC速度很慢，所處理的中斷向量數(shù)不充分，迫使設(shè)備共享中斷，使得中斷處理更慢。但是，APIC可解決這些問題。通過為每個設(shè)備請求設(shè)置一個特定的IRQ，系統(tǒng)可減少中斷延遲，APIC還可加速同步代碼。  

實時Linux可充分利用APIC。在SMP系統(tǒng)中，實時調(diào)度程序利用APIC，而不是采用過時的8254芯片來完成時序分配。由于PC的兼容性，8254位于每一個ISA總線上，而且每一個再編程設(shè)備的調(diào)用都要占用處理器周期。一個千兆赫CPU要浪費數(shù)百個處理器周期來等待8MHz定時器(大約2.5μs)。APIC工作在總線頻率，而且可立即執(zhí)行所有的定時器操作，這意味著必須利用本地APIC時鐘在AMP機器上獲取更高的周期性頻率(雙P-III-500 CPU可在100kHz運行周期性實時線程，而無明顯的性能損失)。  

實時Linux能很好地執(zhí)行多處理任務(wù)，它為每個CPU實施單獨的進(jìn)程。調(diào)用pthread_create()可創(chuàng)建一個在現(xiàn)有CPU上運行的線程。還可用pthread_attr_setcpu_np()將該線程分配給一個特定的CPU，以改變線程屬性。在調(diào)用這一功能之前，必須首先初始化線程屬性。  

RTLinux v. 3包括reserve_cpu功能，可預(yù)留SMP平臺上的一個CPU，專供RTLinux使用。它可運行于2.4x內(nèi)核，RTAI也具有幾乎同樣的功能。  

如果想將任務(wù)分給某一特定的CPU，請留意“pset”方案(http://isunix.it.ilstu.edu/thockin/pset/)。利用該內(nèi)核可將一個SMP處理器專門分配給一個用戶應(yīng)用程序，甚至可從Linux處理器組中調(diào)用一個處理器專用于實時任務(wù)。  

同步基元  

早期的實時Linux沒有同步基元?，F(xiàn)在，POSIX型的旗語、互斥和信號在最新的實時Linux版本中都已出現(xiàn)。雖然在實時設(shè)計中采用這些同步基元還存在問題，但同步或用信號表示實時任務(wù)和用戶應(yīng)用程序很有意義，然而，這要求軟件開發(fā)者具有高超的技能，這一問題已超出本文的討論范圍。  

快速學(xué)習(xí)pthread_mutex_init()、pthread_mutex_lock()、pthread_mutex_trylock()、pthread_mutex_unlock()和pthread_mutex_destroy()等同步功能的最好方法是查看./examples/mutex/mutex.c。特別要提醒的是./examples/mutex/sema_test.c文件是學(xué)習(xí)旗語的很好起點。  

實時Linux發(fā)展方向  

實時Linux與Linux一樣仍然處于不斷發(fā)展之中。每一個新的版本都添加了更多的特性和功能。實時Linux正朝著更好的POSIX 1003.x實現(xiàn)方向發(fā)展，最新的特性包括用戶空間進(jìn)程的實時支持、互斥、信號、旗語、實時存儲器管理和擴展的SMP支持等。如果還未確定下一個項目采用哪個實時系統(tǒng)，可下載一種實時Linux版本了解一下。其實，Linux已經(jīng)是一種成熟的OS，而且具備實時擴展版本，它是嵌入式應(yīng)用的最佳選擇之一。