引 言
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(shí)時或者是軟實(shí)時的,無法滿足需求,因此就必須使用實(shí)時操作系統(tǒng)(Real-Time Operating System,RTOS),。
實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)是指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時,能夠接受并以足夠快的速度予以處理,,其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng),并控制所有實(shí)時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng),。因而,,提供及時響應(yīng)和高可靠性是其主要特點(diǎn)。實(shí)時操作系統(tǒng)有硬實(shí)時和軟實(shí)時之分,,硬實(shí)時要求在規(guī)定的時間內(nèi)必須完成操作,,這是在操作系統(tǒng)設(shè)計時保證的;軟實(shí)時則只要按照任務(wù)的優(yōu)先級,,盡可能快地完成操作即可,。我們通常使用的操作系統(tǒng)在經(jīng)過一定改變之后就可以變成實(shí)時操作系統(tǒng)。
實(shí)時系統(tǒng)又有軟實(shí)時系統(tǒng)(soft real-time system)和硬實(shí)時系統(tǒng)(hard real-time system)之分,。軟實(shí)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(shí)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,。實(shí)時系統(tǒng)(Real-time operating system,RTOS)的正確性不僅依耐系統(tǒng)計算的邏輯結(jié)果,,還依賴于產(chǎn)生這個結(jié)果的時間。實(shí)時系統(tǒng)能夠在指定或者確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和外部或內(nèi)部,、同步或異步時間做出響應(yīng)的系統(tǒng),。因此實(shí)時系統(tǒng)應(yīng)該在事先先定義的時間范圍內(nèi)識別和處理離散事件的能力;系統(tǒng)能夠處理和儲存控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù),。
在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域,,實(shí)時系統(tǒng)的核心是實(shí)時操作系統(tǒng)。目前已有很多商業(yè)實(shí)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(diǎn)是具有非常好的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)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,。
嵌入式實(shí)時系統(tǒng)的特點(diǎn)
一,、時間約束性實(shí)時系統(tǒng)的任務(wù)具有一定的時間約束(截止時間)。根據(jù)截止時間,,實(shí)時系統(tǒng)的實(shí)時性分為"硬實(shí)時"和"軟實(shí)時".硬實(shí)時是指應(yīng)用的時間需求能夠得到完全滿足,,否則就造成重大安全事故,甚至造成重大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)破壞,,如在航空航天,、軍事、核工業(yè)等一些關(guān)鍵領(lǐng)域中的應(yīng)用,。軟實(shí)時是指某些應(yīng)用雖然提出時間需求,,但實(shí)時任務(wù)偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運(yùn)行及環(huán)境不會造成嚴(yán)重影響,如監(jiān)控系統(tǒng)等和信息采集系統(tǒng)等,。
二,、可預(yù)測性可預(yù)測性是指系統(tǒng)能夠?qū)?shí)時任務(wù)的執(zhí)行時間進(jìn)行判斷,確定是否能夠滿足任務(wù)的時限要求,。由于實(shí)時系統(tǒng)對時間約束要求的嚴(yán)格性,,使可預(yù)測性稱為實(shí)時系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能要求。除了要求硬件延遲的可預(yù)測性以外,,還要求軟件系統(tǒng)的可預(yù)測性,,包括應(yīng)用程序的響應(yīng)時間是可預(yù)測的,即在有限的時間內(nèi)完成必須的工作,;以及操作系統(tǒng)的可預(yù)測性,,即實(shí)時原語、調(diào)度函數(shù)等運(yùn)行開銷應(yīng)是有界的,,以保證應(yīng)用程序執(zhí)行時間的有界性,。
1 Linux 2.6內(nèi)核的實(shí)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(shí)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(shí)時環(huán)境,,直接影響了它的硬實(shí)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(yùn)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,。
(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(shí)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(shí)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(shí)時化改造后的系統(tǒng)實(shí)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(diǎn)是:原本在Linux上運(yùn)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(yùn)行,。典型代表有Kurt-Linux.
②對Linux內(nèi)核的外部實(shí)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(shí)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,。
2 Xenomai原理與應(yīng)用
2.1 Xenomai簡介及其Adeos實(shí)現(xiàn)
Xenomai是一個自由軟件項(xiàng)目,,提供了一個基于Linux的實(shí)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(xiàng)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(xiàng)目分支。到2005年,,Xenomai項(xiàng)目又重新獨(dú)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(shí)現(xiàn)的,。
在基于Adeos的系統(tǒng)中,,分為多個域。每個域中獨(dú)立運(yùn)行一個操作系統(tǒng)(或者是實(shí)現(xiàn)一定功能的程序模塊),,每個域可以有獨(dú)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,。
2.2 Xenomai用戶層實(shí)時的實(shí)現(xiàn)
Xenomai除了在內(nèi)核層利用Adeos實(shí)現(xiàn)了硬實(shí)時外,它在用戶空間也有很好的實(shí)時性,。在S3C2410平臺上,,為了實(shí)現(xiàn)用戶層的實(shí)時,Xenomai實(shí)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:
在用戶層,,應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用可以迅速得到struct_ipipe_tscinfo結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù),。而且為了避免受到緩存的影響,Xenomai將此結(jié)構(gòu)體變量存放在Linux的向量頁中,。
內(nèi)核通過函數(shù)_ipipe_mach_get_tscinfo來填充struct_ipipe_tscinfo結(jié)構(gòu)體變量中的各項(xiàng)內(nèi)容:
其中,,info一>typte說明在S3C2410平臺上TSC是基于Decrementer硬件計數(shù)方式的;info一>u.dec.counter用來將Decrementer計數(shù)器的物理地址設(shè)定為0x51000038;info一>u.dec.mask掩碼用來注明使用Dec-rementet.計數(shù)器中的特定位,;info一>u.dec.tsc指向存放64位TSC值的區(qū)域,。
在Xenomai用戶層的實(shí)時程序運(yùn)行時,程序都會通過系統(tǒng)調(diào)用得到內(nèi)核填充好的struct_ipipe_tscinfo結(jié)構(gòu)體變量,。具體實(shí)現(xiàn)可參考編譯用戶層實(shí)時程序時用到的,,由Xenomai所提的頭文件/usr/xenomai/include/asm/syscall.h.
2.3 Xenomai多API構(gòu)架
除了提供Linux硬實(shí)時,Xenomai的另一個目的是使基于Linux的實(shí)時操作系統(tǒng)能提供與傳統(tǒng)的工業(yè)級實(shí)時操作系統(tǒng)(包括VxWorks,、pSOS+,、VRTX或者uITRON)功能相同的API.這樣,可以讓這些操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序能夠很容易地移植到GNU/Linux環(huán)境中,,同時保持很好的實(shí)時性,。
Xenomai的核心技術(shù)表現(xiàn)為使用一個實(shí)時微內(nèi)核(real-time nucleus)來構(gòu)建這些實(shí)時API,也稱作"skin".在實(shí)時核復(fù)用的基礎(chǔ)上,,一個skin可以很好地模擬一種實(shí)時操作系統(tǒng)的API.它的結(jié)構(gòu)圖可以參考圖2.
圖2中,Native是Xenomai自帶的API,各類API都有著同等的地位,,都獨(dú)立地基于同一個實(shí)時微內(nèi)核,。這樣做可以讓內(nèi)核的優(yōu)點(diǎn)被外層所有的API很好地繼承下來。更重要的是,,實(shí)時微內(nèi)核提供的服務(wù)被外層各種API以不同的方式表現(xiàn)出來,,由此可以增強(qiáng)整個系統(tǒng)的強(qiáng)壯性。
編制實(shí)時程序時,,在很多實(shí)時操作系統(tǒng)上只能在內(nèi)核層實(shí)現(xiàn),;而編制實(shí)時內(nèi)核模塊時,會受到內(nèi)核的限制,,比如有些實(shí)時內(nèi)核不支持浮點(diǎn)運(yùn)算,,模塊出錯時容易使整個系統(tǒng)掛起,而且內(nèi)核模塊的調(diào)試比較困難,。Xenomai能夠支持較好的用戶層實(shí)時,,這為編制實(shí)時性要求不是非常高的實(shí)時程序提供了一個有效途徑。下面這個用戶層實(shí)時例程使用的是Xenomai提供的Native API:
從程序中可以看出,,Xenomai的用戶層實(shí)時程序的周期可以輕易地設(shè)定到μs級,,所以它完全可以適用于一般實(shí)時性要求的工程應(yīng)用。
3 總 結(jié)
本文首先簡單介紹了實(shí)時操作系統(tǒng),,分析了Linux 2.6內(nèi)核實(shí)時性能的不足,;然后著重介紹了一個Linux實(shí)時化的解決方案--Xenomai,分析了Xenomai的Adeos構(gòu)架基礎(chǔ),簡要說明了Xenomai用戶層實(shí)時的實(shí)現(xiàn),,以及Xenomai支持多種實(shí)時操作系統(tǒng)的API的新特點(diǎn),。Linux 2.6.35 Kernel引入了針對Radeon KMS開源顯卡驅(qū)動的ATI電源管理支持、新款I(lǐng)ntel GMA整合芯片組的Intel H.264 VA-API視頻加速支持,、Radeon DRI2同步和交換功能,、Btrfs文件系統(tǒng)改進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)傳入負(fù)載處理器核心分布的RPS和RFS支持等等,。
本文給出的Xenomai的用戶層實(shí)時例程已經(jīng)成功地在多個平臺上運(yùn)行過,,表明Xenomai用戶程序在多種硬件平臺上有很好的移植性。