操作系统RTLinux的主要功能、特点及应用分析

近年来，基于PC的嵌入式系统得到迅速的发展。在各种不同的操作系统中，由于Linux操作系统的廉价、源代码的开放性以及系统的稳定性，使其在基于PC的嵌入式系统中的应用日益广泛。RTLinux（RealTime Linux）［1］是 一种基于Linux的实时操作系统，是由FSMLabs公司（Finite State Machine Labs Inc.）推出的与Linux操作系统共存的硬实时操作系统。它能够创建精确运行的符合POSIX.1b标准的实时进程;并且作为一种遵循GPL v2协议的开放软件，可以在GPL v2协议许可范围内自由地、免费地使用、修改和再发行。本文介绍了RTLinux的特点及功能，并结合一个实时处理的具体实例对其编程方法加以说明。

1 RTLinux的特点

在Linux操作系统中，调度算法（基于最大吞吐量准则）、设备驱动、不可中断的系统调用、中断屏蔽以及虚拟内存的使用等因素，都会导致系统在 时间上的不可预测性，决定了Linux操作系统不能处理硬实时任务。RTLinux为避免这些问题，在Linux内核与硬件之间增加了一个虚拟层（通常称 作虚拟机），构筑了一个小的、时间上可预测的、与Linux内核分开的实时内核，使得在其中运行的实时进程满足硬实时性。并且RTLinux和Linux 构成一个完备的整体，能够完成既包括实时部分又包括非实时部分的复杂任务。

1.1 硬实时性

RTLinux将Linux源码中所有的cli、sti、iret指令分别用宏S_CLI、S_STI、 S_IRET替换，引入的虚拟层将截取所有的硬件中断，分割Linux系统与硬件中断之间的直接联系。当RTLinux虚拟层接收到与实时处理有关的硬件 中断时，立即启动执行相应的实时中断服务程序;而接收到与实时处理无关的中断时，先保存相应的信息，等到RTLinux内核空闲时通过软中断传递给 Linux内核去处理，这样就使得RTLinux内核不受各种软、硬件中断的影响，不会造成时间上的不可预测性。同时又区别于其他的实时处理方案，它并未 对操作系统的内核作结构性的修改，因此并不会妨碍Linux操作系统的进一步发展和变化。

Linux采用基于最大吞吐量准则的调度策略，并不能确保各个实时进程的及时调度。而RTLinux在缺省情况下采用优先级的调度策略，即系统 调度器根据各个实时任务的优先级来确定执行的先后次序。优先级高的先执行，优先级低的后执行，这样就保证了实时进程的迅速调度。同时RTLinux也支持 其它的调度策略，如最短时限最先调度（EDP）、确定周期调度（RM）（周期短的实时任务具有高的优先级）。RTLinux将任务调度器本身设计成一个可 装载的内核模块，用户可以根据自己的实际需要，编写适合自己的调度算法。

操作系统精确的定时机制，可以提高任务调度器的效率，但增加了CPU处理定时中断的时间开销。RTLinux采用一种折衷的方案，不将8354 定时器设计成10毫秒产生一次定时中断的固定模式，而是根据最近事件（进程）的时间需要，不断调整定时器的定时间隔。这样既可以提供高精度的时间值，又避 免过多增加CPU处理定时中断的时间开销。RTLinux系统同时将各时间间隔相加，保持一个系统全局时间变量，并使用软中断的方式来模拟传统的 100Hz定时中断，将其传递给Linux系统使用。

1.2 完备性

过去，实时操作系统仅是一组原始的、简单的可执行程序，它所做的仅仅是向应用程序提供一个程序库。但如今，实时应用程序通常要求能够支持 TCP/IP、图形显示、文件和数据库系统及其它复杂的服务。为了满足当今实时应用程序的多种需求，通常采用在实时控制内核上增加这些服务或完全修改标准 操作系统内核的方法，而RTLinux所采用的是一种新型高效的方式。将一个简单的小型实时内核与Linux内核共存，用简单的小型实时内核处理实时任 务，将非实时任务交给Linux内核去处理，而Linux内核本身也作为一个RTLinux实时内核在空闲时运行的进程。这种将实时系统和平均时间优化的 标准Linux操作系统协同工作的方式，使得许多实时应用都显示出一种增效。实时内核中的实时任务可以直接访问硬件，不使用虚拟内存，给实时进程提供了很 大的灵活性;运行在Linux用户空间中的非实时任务，可以方便地使用系统提供的各种资源（网络、文件系统等），并受到系统的保护，增加了系统的安全 性。

2 RTLinux的主要功能

RTLinux提供了一整套对硬实时进程的支持函数集。在此，仅对在嵌入式系统中最重要的三个方面：进程间的通讯、中断和硬件设备的访问以及线程间的同步加以阐述。

2.1 进程间的通信（IPC）

RTLinux要求将应用程序分成实时部分和非实时部分。应用程序的实时部分应该是简单的和轻负荷的，在RTLinux的实时内核中完成;而非 实时部分，在Linux的用户空间完成。因此RTLinux提过了多种内核实时进程和Linux用户空间进程间的通讯机制，最重要的是实时FIFO和共享 内存。

实时FIFO是能够被内核实时进程和Linux用户空间进程访问的快进快出队列，是一种单向的通讯机制，可以通过两路实时FIFO构成双向的数据交换方式。在使用实时FIFO前先要对实时FIFO通道初始化：

在初始化实时FIFO通道后，RTLinux内核的实时进程和Linux用户空间的进程都可以使用标准的POSIX函数open、read、 write和close等对实时FIFO通道进行访问。内核实时进程还可以使用RTLinux的专有函数rtf_put和rtf_get对实时FIFO通 道进行读写。

RTLinux共享内存由mbuff.o模块支持，可以使用下面的函数分配和释放共享内存块：

#include

void *mbuff_alloc（const char *name， int size）

void mbuff_free（const char *name， void *mbuf）

函数mbuff_alloc有两个参数，共享内存名name和共享内存块的大小size。如果指定的内存共享名并不存在，分配成功时返回共享内 存指针，访问计数置为1，分配失败时返回空指针;如果指定的内存共享名已经存在，返回该块共享内存的指针，并将访问计数值直接加1。函数 mbuff_free将该块共享内存的访问计数值减1，当计数值为0时，该共享内存被释放。在实时内核模块中使用该函数时，应该将函数 mbuff_alloc和 mbuff_free分别放在init_module 和cleanup_module模块之中。

2.2 中断和访问硬件

硬中断（实时中断）具有最低的延时，在系统内核中只有少数的实时进程使用。函数rtl_request_irq和rtl_free_irq用于安装和卸载指定硬件中断的中断服务程序。

#include

int rtl_request_irq（unsigned int irq， unsigned int

（*handler） （unsigned int， struct pt_regs *））

int rtl_free_irq（unsigned int irq）

中断驱动的线程可以使用唤醒和挂起函数：

int pthread_wakeup_np（pthread_t thread）

int pthread_suspend_np（void）

一个中断驱动的线程可以调用函数pthread_suspend_np（pthread_self（））阻塞自身线程的执行，然后由中断服务函 数调用函数pthread_wakeup_np唤醒该线程的执行，直到此线程再次调用函数 pthread_suspend_np（pthread_self（））将自身挂起。

软中断是Linux内核常常使用的中断，它能够更安全地调用系统函数。无论如何，对于许多任务来说并不能提供硬实时性能，将会导致一定的延时。

int rtl_get_soft_irq（void （*handler）（int， void*， struct pt_regs *）， const char* devname）分配一个虚中断并安装中断处理函数;void rtl_global_pend_irq（int ix） 激活虚中断;void rtl_free_soft_irq（unsigned int irq） 释放分配的虚中断。

RTLinux与Linux一样通过/dev/mem设备访问物理内存，具体由模块 rtl_posixio.o 提供此项功能。首先应用程序应该打开/dev/mem设备，通过函数mmap对某段物理内存进行映射后，即可使用映射后的地址访问该段物理内存。应用程序 只能在Linux进程中（即在应用程序的init_module（）模块中）调用mmap，在实时进程中调用mmap将会失败。另一种访问物理内存的方法 是通过Linux的函数ioremap［2］。RTLinux 访问I/O端口的函数如下（对于x86结构）：

输出一个字节到端口：

#include

void outb（unsigned int value， unsigned short port）

void outb_p（unsigned int value， unsigned short port）

输出一个字到端口：

#include

void outw（unsigned int value， unsigned short port）

void outw_p（unsigned int value， unsigned short port）

从端口读一个字节：

#include

char inb（unsigned short port）

char inb_p（unsigned short port）

从端口读一个字：

#include

short inw（unsigned short port）

short inw_p（unsigned short port）

其中带后缀_p的函数使读写端口时有一个小的延时，这在快速的计算机访问慢速的ISA设备时是必需的。

2.3 线程同步

当多个实时线程需要访问共享资源时，如果没有一种同步机制，将破坏共享资源中数据的完整性。RTLinux提供一种简单的加锁方法mutex来 控制对共享资源的存取，并支持POSIX的pthread_mutex_ family函数组［3］。目前有以下函数可以使用：

pthread_mutexattr_getpshared //得到指定属性线程共享属性值;

pthread_mutexattr_setpshared //设置指定属性线程共享属性值;

pthread_mutexattr_init //初始化mutex的属性;

pthread_mutexattr_destroy //删除mutex的属性;

pthread_mutexattr_settype //设置mutex信号的类型;

pthread_mutexattr_gettype //得到mutex信号的类型;

pthread_mutex_init //按指定的属性初始化mutex;

pthread_mutex_destroy //删除给定的mutex;

pthread_mutex_lock //锁定mutex，如果mutex已被锁定，阻塞当前线程直到解锁;

pthread_mutex_trylock //锁定mutex，如果mutex已被锁定，函数立即返回;

pthread_mutex_unlock //解锁mutex;

互斥信号类型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL （default POSIX mutexes）和PTHREAD_MUTEX_SPINLOCK （spinlocks）

3 RTLinux的编程实例分析

下面结合一个具体的程序parport.c［4］，对RTLinux的编程特点加以说明。程序parport.c中的实时线程在并口的2、3脚 （并口的数据D0和D1）上周期输出信号1，而对应硬件中断7的实时中断服务程序将在并口的2、3脚输出信号0。连接并口的2脚和10脚（并口的确认信号 线，对应于计算机的硬件中断7），则可在并口的2、3脚上产生一个方波信号。parport.c源程序如下：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

pthread_t thread;

unsigned int intr_handler（unsigned int irq，struct pt_regs *regs）{//中断服务函数

outb（0， 0x378）; //输出字节0到并口数据线

rtl_hard_enable_irq（7）; //使能硬件中断7

return 0;

}

void * start_routine（void *arg）{ //实时线程

struct sched_param p; //定义实时线程控制参数的数据结构

p. sched_priority = 1; //设置优先级为1

pthread_setschedparam （pthread_self（）， SCHED_FIFO， &p）;//设置实时线程的控制参数

pthread_make_periodic_np（pthread_self（），gethrtime（），100000）;//启动周期为10ns的实时线程

while （1）{

pthread_wait_np（）; //实时线程挂起

outb（3， 0x378）; //实时线程周期执行，输出3到并口数据线

}

return 0;

}

int init_module（void） {//初始化模块

int status;

rtl_irqstate_t f;

rtl_no_interrupts（f）; //保存当前的中断状态标志到变量f，并禁止中断

status=rtl_request_irq（7， intr_handler）; //设置硬件中断7的处理程序

rtl_printf（″rtl_request_irq： %dn″， status）; //输出的控制台

outb_p（inb_p（0x37A） | 0x10， 0x37A）; //使能并口中断（硬件上）

rtl_hard_enable_irq（7）;//使能中断7（软件上）

rtl_restore_interrupts（f）; //按照变量f恢复当前的中断状态标志，并使能中断

return pthread_create （&thread， NULL， start_routine， 0）;//创建实时进程thread

}

void cleanup_module（void） { //清除模块

rtl_free_irq（7）; //禁止中断7

pthread_delete_np （thread）; //删除实时进程thread

}

程序parport.c的make文件如下：

all： parport.o

include rtl.mk

clean：

rm -f *.o

按照如下命令对程序进行编译：

make

运行程序可采用以下命令：

modprobe rtl_sched //调入所需的处理模块

insmod parport.o //调入parport.o模块

连接并口的2脚和10脚，即可通过示波器在并口的3脚上观测到输出的方波信号。

可以看到，RTLinux的实时程序被编写成可加载的Linux内核模块，它能被动态地加入内存，不能执行Linux系统调用，模块的初始化代码对实时任务的结构作初始化，把实时任务的时限、周期和释放时间等实时参数传递给RTLinux。

通过对Linux最小的改动，提供一种可靠且廉价的硬实时操作系统RTLinux。RTLinux开发者可以充分利用Linux提供的各种方便 来编写任务的非实时部分，加速自己的任务进度。

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