uClinux操作系统的实时化分析与研究

1.引言

嵌入式Linux作为一个开放源代码的操作系统，以价格低廉、功能强大又易于移植的特性正在被广泛应用，μClinux是专门针对没有 MMU（Memory Manage Unit）的处理器而设计的嵌入式Linux，非常适合中低端嵌入式系统的需求。μClinux虽然符合POSIX1003.1B关于实时扩展部分的标准，但其最初的设计目标为通用分时操作系统，如果把μClinux用在工业控制、进程控制等微控制领域内，必须要增强μClinux的实时性能。

目前，对嵌入式Linux的实时化改造方案主要有3种：一种是直接修改内核插入抢占点[3]，另外一种是资源内核方法[4]，最后一种是双内核架构的解决方案。但3种方法中前两种都只能用于软实时应用，只有双内核[2]架构的方案可以保障硬实时应用需求。目前，Linux平台下开发的具有硬实时功能的系统主要有：RTLinux和RTAI[1]（Real Time Application Interface）。基于RTAI增强Linux的实时性方面研究得比较多，但是，基于RTAI增强μClinux实时性方面还未见到成型的产品。因此，本文借鉴RTAI对Linux的实时改进机理，对μClinux的实时性改造进行了分析与研究。

2. μClinux的内存管理

标准Linux使用虚拟存储器技术，应用在带有MMU的处理器上，虚拟地址被送到MMU，把虚拟地址映射为物理地址。而μClinux同标准Linux的最大区别就在于内存管理，只有了解它们内存管理的差异后，才能更好地利用RTAI对μClinux进行实时化改造。

μClinux虽然为嵌入式系统做了许多小型化的工作[5]，但μClinux与标准Linux的架构完全一致。μClinux虽然无法使用处理器的虚拟内存管理技术，但μClinux仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储器进行分页，在加载应用程序时分页加载。一个进程在执行前，系统必须为进程分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间中。μClinux采用实存储器管理策略，通过地址总线对物理内存进行直接访问。所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，操作系统对内存空间没有保护，所有的进程都在一个运行空间中运行（包括内核进程）。

在μClinux系统中，缺少了MMU的内存映射，μClinux必须在可执行文件加载阶段对可执行文件reloc处理，使得程序执行时能够直接使用物理内存；其次，μClinux没有自动生长的堆栈，也没有brk()函数，用户空间的程序必须使用mmap()命令来分配内存；同时，在实现多个进程时需要实现数据保护，μClinux虽然支持fork()函数，但实质是所有的多进程管理都通过vfork()函数来实现。vfork() 是μClinux与标准Linux应用程序的开发中最重要的不同之处，只有对vfork()与fork()两个函数的差异和程序处理机制有详细的了解后，才能顺利地完成从Linux到μClinux的程序移植。

3. 基于RTAI的Linux硬实时支持方案

3.1 RTAI简介

RTAI for Linux[6]是双内核架构的Linux实时化方案的典型代表，它由意大利的Milan大学主持，是近年来非常活跃的开源项目。系统的实现基础是在Linux上定义了一组实时硬件抽象层RTHAL（Real Time Hardware Abstraction Layer），通过RTHAL进行硬件管理，把基本内核和实时内核结合在一起，其中一个内核的改变，不会影响另一个内核的执行，RTHAL将RTAI需要在Linux中修改的部分定义成一组程序界面，RTAI只使用这组界面和Linux沟通，其系统结构如图1所示。

3.2 RTAI的RTHAL

RTAI从内核中提取一个RTHAL，RTAI首先是一个中断分发器，当RTAI模块被加载后，CPU中断仍由Linux管理，RTAI只接管外部设备的中断并分发（有可能仍分发给Linux）。这种接管是通过RTHAL来实现的，RTHAL包含一些重要的函数和数据结构，RTAI模块可能修改的内容都收集在此结构体中。

当RTAI装载时，只需要重新设置RTHAL中的各项内容。内核需要修改执行RTHAL以代替原来的内容，如

do_IRQ(irq,dummy)；

被修改为：

rthal.c_do_IRQ(irq,dummy)；

Linux初始化RTHAL为指向原始的函数和数据结构，RTHAL仅仅进行重定向。当RTAI被激活，RTHAL保存并且改变这些函数的值为 RTAI自己的内容。以上段代码为例，当RTAI还没有加载时，rthal.c_do_IRQ的值就是Linux的do_IRQ，当RTAI被加载时，RTAI执行以下代码，将rthal.c_do_IRQ替换成RTAI自己的分发器：

rthal.c_do_IRQ=dispatch_irq；

3.3 RTAI的中断处理机制

RTAI的最核心部分就是其中断处理机制。RTAI构建了一个小实时内核接管硬件及中断，支持EDF，RM两种经典实时调度算法，Linux作为此实时内核的最低优先级任务被执行。因而实时任务执行时，Linux及其应用程序将被抢占。RTAI引入了软中断模拟技