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　　RTLinux(RealTime Linux)[1]是一種基于Linux的實時操作系統(tǒng),是由FSMLabs公司(Finite State Machine Labs Inc.)推出的與Linux操作系統(tǒng)共存的硬實時操作系統(tǒng)。它能夠創(chuàng)建精確運(yùn)行的符合POSIX.1b標(biāo)準(zhǔn)的實時進(jìn)程;并且作為一種遵循GPL v2協(xié)議的開放軟件,可以在GPL v2協(xié)議許可范圍內(nèi)自由地、免費(fèi)地使用、修改和再發(fā)行。本文介紹了RTLinux的特點(diǎn)及功能,并結(jié)合一個實時處理的具體實例對其編程方法加以說明。

　　1 RTLinux的特點(diǎn)

　　在Linux操作系統(tǒng)中,調(diào)度算法(基于最大吞吐量準(zhǔn)則)、設(shè)備驅(qū)動、不可中斷的系統(tǒng)調(diào)用、中斷屏蔽以及虛擬內(nèi)存的使用等因素,都會導(dǎo)致系統(tǒng)在時間上的不可預(yù)測性,決定了Linux操作系統(tǒng)不能處理硬實時任務(wù)。RTLinux為避免這些問題,在Linux內(nèi)核與硬件之間增加了一個虛擬層(通常稱作虛擬機(jī)),構(gòu)筑了一個小的、時間上可預(yù)測的、與Linux內(nèi)核分開的實時內(nèi)核,使得在其中運(yùn)行的實時進(jìn)程滿足硬實時性。并且RTLinux和Linux構(gòu)成一個完備的整體,能夠完成既包括實時部分又包括非實時部分的復(fù)雜任務(wù)。

　　1.1 硬實時性

　　RTLinux將Linux源碼中所有的cli、sti、iret指令分別用宏S_CLI、S_STI、 S_IRET替換,引入的虛擬層將截取所有的硬件中斷,分割Linux系統(tǒng)與硬件中斷之間的直接聯(lián)系。當(dāng)RTLinux虛擬層接收到與實時處理有關(guān)的硬件中斷時,立即啟動執(zhí)行相應(yīng)的實時中斷服務(wù)程序;而接收到與實時處理無關(guān)的中斷時,先保存相應(yīng)的信息,等到RTLinux內(nèi)核空閑時通過軟中斷傳遞給Linux內(nèi)核去處理,這樣就使得RTLinux內(nèi)核不受各種軟、硬件中斷的影響,不會造成時間上的不可預(yù)測性。同時又區(qū)別于其他的實時處理方案,它并未對操作系統(tǒng)的內(nèi)核作結(jié)構(gòu)性的修改,因此并不會妨礙Linux操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和變化。

　　Linux采用基于最大吞吐量準(zhǔn)則的調(diào)度策略,并不能確保各個實時進(jìn)程的及時調(diào)度。而RTLinux在缺省情況下采用優(yōu)先級的調(diào)度策略,即系統(tǒng)調(diào)度器根據(jù)各個實時任務(wù)的優(yōu)先級來確定執(zhí)行的先后次序。優(yōu)先級高的先執(zhí)行,優(yōu)先級低的后執(zhí)行,這樣就保證了實時進(jìn)程的迅速調(diào)度。同時RTLinux也支持其它的調(diào)度策略,如最短時限最先調(diào)度(EDP)、確定周期調(diào)度(RM)(周期短的實時任務(wù)具有高的優(yōu)先級)。RTLinux將任務(wù)調(diào)度器本身設(shè)計成一個可裝載的內(nèi)核模塊,用戶可以根據(jù)自己的實際需要,編寫適合自己的調(diào)度算法。

　　操作系統(tǒng)精確的定時機(jī)制,可以提高任務(wù)調(diào)度器的效率,但增加了CPU處理定時中斷的時間開銷。RTLinux采用一種折衷的方案,不將8354定時器設(shè)計成10毫秒產(chǎn)生一次定時中斷的固定模式,而是根據(jù)最近事件(進(jìn)程)的時間需要,不斷調(diào)整定時器的定時間隔。這樣既可以提供高精度的時間值,又避免過多增加CPU處理定時中斷的時間開銷。RTLinux系統(tǒng)同時將各時間間隔相加,保持一個系統(tǒng)全局時間變量,并使用軟中斷的方式來模擬傳統(tǒng)的100Hz定時中斷,將其傳遞給Linux系統(tǒng)使用。

　　1.2 完備性

　　過去,實時操作系統(tǒng)僅是一組原始的、簡單的可執(zhí)行程序,它所做的僅僅是向應(yīng)用程序提供一個程序庫。但如今,實時應(yīng)用程序通常要求能夠支持TCP/IP、圖形顯示、文件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其它復(fù)雜的服務(wù)。為了滿足當(dāng)今實時應(yīng)用程序的多種需求,通常采用在實時控制內(nèi)核上增加這些服務(wù)或完全修改標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)內(nèi)核的方法,而RTLinux所采用的是一種新型高效的方式。將一個簡單的小型實時內(nèi)核與Linux內(nèi)核共存,用簡單的小型實時內(nèi)核處理實時任務(wù),將非實時任務(wù)交給Linux內(nèi)核去處理,而Linux內(nèi)核本身也作為一個RTLinux實時內(nèi)核在空閑時運(yùn)行的進(jìn)程。這種將實時系統(tǒng)和平均時間優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)協(xié)同工作的方式,使得許多實時應(yīng)用都顯示出一種增效。實時內(nèi)核中的實時任務(wù)可以直接訪問硬件,不使用虛擬內(nèi)存,給實時進(jìn)程提供了很大的靈活性;運(yùn)行在Linux用戶空間中的非實時任務(wù),可以方便地使用系統(tǒng)提供的各種資源(網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)等),并受到系統(tǒng)的保護(hù),增加了系統(tǒng)的安全性。

　　2 RTLinux的主要功能

　　RTLinux提供了一整套對硬實時進(jìn)程的支持函數(shù)集。在此,僅對在嵌入式系統(tǒng)中最重要的三個方面:進(jìn)程間的通訊、中斷和硬件設(shè)備的訪問以及線程間的同步加以闡述。