RTlinux的介绍

Linux系统下的一般任务。RTLinux的体系结构如图2所示。

图2 RTLinux的体系结构

RTLinux的设计思想是:应用硬件的实时约束将实时程序分割成短小简单的部分,较大部分承担较复杂的任务。根据这一原则,将应用程序分为硬实时和软实时(即程序)2个部分。

硬实时的实现:

硬件实时部分被作为实时任务来执行,并从外部设备拷贝数据到一个叫做实时有名管道(RTFIFO)的特殊I/O端口;程序主要部分作为标准Linux进程来执行。它将从RTFIFO中读取数据,然后显示并存储到文件中,实时部分将被写入内核。设计实时有名管道是为了使实时任务在读和写数据时不被阻塞。图3所示的是RTFIFO结构图。

图3 RT-FIFO结构图

RTLinux将标准Linux内核作为简单实时操作系统(RTOS)(或叫子内核)里优先权最低的线程来运行，从而避开了Linux内核性能的问题。 从图3可以看出，RTLinux拥有两个内核。这就意味着有两组单独的API，一个用于Linux环境，另一个用于实时环境。此外，为保证实时进程与非实时Linux进程不顺序进行数据交换，RTLinux引入了RT-FIFO队列。RT-FIFO被Linux视为字符设备，最多可达150个，分别命名为/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最大的RT-FIFO数量在系统内核编译时设定。

RTLinux程序运行于用户空间和内核态两个空间。RTLinux提供了应用程序接口。借助这些API函数将实时处理部分编写成内核模块，并装载到RTLinux内核中，运行于RTLinux的内核态。非实时部分的应用程序则在Linux下的用户空间中执行。这样可以发挥Linux对网络和数据库的强大支持功能。

软实时的实现:

RTLinux通过一个高效的、可抢先的实时调度核心来全面接管中断，并把Linux作为此实时核心的一个优先级最低的进程运行。当有实时任务需要处理时，RTLinux运行实时任务;无实时任务时，RTLinux运行Linux的非实时进程。其系统结构见图1。

图4 RTLinux系统结构图

在Linux进程和硬件中断之间,本来由Linux内核完全控制,现在在Linux内核和硬件中断的地方加上了一个RTLinux内核的控制。Linux的控制信号都要先交给RTLinux内核进行处理。在RTLinux内核中实现了一个虚拟中断机制,Linux本身永远不能屏蔽中断,它发出的中断屏蔽信号和打开中断信号都修改成向RTLinux发送一个信号。如在Linux里面使用“SI”和“CLI”宏指令,让RTLinux里面的某些标记做了修改。也就是说将所有的中断分成Linux中断和实时中断两类。如果RTLinux内核接收到的中断信号是普通Linux中断,那就设置一个标志位;如果是实时中断,就继续向硬件发出中断。在RTLinux中执行STI将中断打开之后,那些设置了标志位表示的Linux中断就继续执行,因此,CLI并不能禁止RTLinux内核的运行,却可以用来中断Linux。Linux不能中断自己,而RTLinux可以。

RTLinux在默认的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)(周期段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。

对于一个操作系统而言，精确的定时机制虽然可以提高任务调度器的效率，但会增加CPU处理定时中断的时间开销。RTLinux对时间精度和时钟中断处理的时间开销进行了折中考虑。不是像Linux那样将8254定时器设计成10ms产生一次定时中断的固定模式，而是将定时器芯片设置为终端计时中断方式。根据最近的进程的时间需要，不断调整定时器的定时间隔。这样不仅可以获得高定时精度，同时中断处理的开销又最小。

5.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，对在嵌入式系统中的实现加以阐述。

a.中断仿真

在中断控制硬件与LINUX核心之间放置一个软件仿真层。具体做法是，在LINUX源码中出现cli、sti和IRet的所有地方都用仿真宏：S_CLI、S_STI和S_IRET来替换。所有的硬件中断就都被仿真器所截获。

当需要关中断时，就将仿真器中的一个变量置0。不论何时若有中断发生，仿真器就检查这个变量。如果是1(LINUX已开中断)，就立即调用LINUX的中断处理程序;否则，LINUX中断被禁止，中断处理程序不会被调用，而是在保存着所有挂起中断的信息的变量的相应位置1。当LINUX重新开中断，所有挂起中断的处理程序都会被执行。这种仿真方式可以称之为软中断。

b.实时任务

实时任务是在一个由核心控制的调度程序的调度下执行的用户