Linux实时化解决方案Xenomai的原理及应用

2 Xenomai原理与应用

2.1 Xenomai简介及其Adeos实现

Xenomai是一个自由软件项目，提供了一个基于Linux的实时解决方案。它可以提供工业级RTOS的性能，而且完全遵守GNU/Linux自由软件协议。目前最新稳定版本是2.4.5.

Xenomai项目起始于2001年。从2003年夏天起，Xenomai和RTAI有了两年时间的合作，期间开发了广为人知的RTAI/fusiON项目分支。到2005年，Xenomai项目又重新独立出来。而从2.0.0版本开始，Xenomai在硬件平台的移植就一直是基于Adeos构架来实现的。

在基于Adeos的系统中，分为多个域。每个域中独立运行一个操作系统（或者是实现一定功能的程序模块），每个域可以有独立的地址空间和类似于进程、虚拟内存等的软件抽象层。在各个域下层有一个Adeos通过虚拟中断等方法来调度上面的各个域。在基于Adeos的系统中，存在着A、B、C、D四种类型的交互，如图1所示。

A类交互是各个域直接操作硬件设备，包括访问内存等；B类交互指当Adeos接收到硬件中断后，会根据中断来对相应的域进行中断服务；C类交互指当前域内的操作系统主动向Adeos请求某些服务；D类交互是指Adeos接收硬件产生的中断和异常，同时也可以直接控制硬件。

2.2 Xenomai用户层实时的实现

Xenomai除了在内核层利用Adeos实现了硬实时外，它在用户空间也有很好的实时性。在S3C2410平台上，为了实现用户层的实时，Xenomai实现了一个硬件计数器--Decrementer.这个硬件计数器可以在用户空问里很好地模拟TSC（Time Stamp Counter,时间戳计数器）。

同时，Xenomai在Linux内核中加入了一个全新的数据结构__ipipe_tscinfo,可以通过此数据结构变量存放用户层需要的数据。该数据结构组成如下：

用户层，应用程序通过系统调用可以迅速得到struct_ipipe_tscinfo结构体中的数据。而且为了避免受到缓存的影响，Xenomai将此结构体变量存放在Linux的向量页中。

内核通过函数_ipipe_mach_get_tscinfo来填充struct_ipipe_tscinfo结构体变量中的各项内容：

其中，info一>typte说明在S3C2410平台上TSC是基于Decrementer硬件计数方式的；info一>u.dec.counter用来将Decrementer计数器的物理地址设定为0x51000038;info一>u.dec.mask掩码用来注明使用Dec-rementet.计数器中的特定位；info一>u.dec.tsc指向存放64位TSC值的区域。

在Xenomai用户层的实时程序运行时，程序都会通过系统调用得到内核填充好的struct_ipipe_tscinfo结构体变量。具体实现可参考编译用户层实时程序时用到的，由Xenomai所提的头文件/usr/xenomai/include/asm/syscall.h.

2.3 Xenomai多API构架

除了提供Linux硬实时，Xenomai的另一个目的是使基于Linux的实时操作系统能提供与传统的工业级实时操作系统（包括VxWorks、pSOS+、VRTX或者uITRON）功能相同的API.这样，可以让这些操作系统下的应用程序能够很容易地移植到GNU/Linux环境中，同时保持很好的实时性。

Xenomai的核心技术表现为使用一个实时微内核（real-time nucleus）来构建这些实时API,也称作"skin".在实时核复用的基础上，一个skin可以很好地模拟一种实时操作系统的API.它的结构图可以参考图2.

图2中，Native是Xenomai自带的API,各类API都有着同等的地位，都独立地基于同一个实时微内核。这样做可以让内核的优点被外层所有的API很好地继承下来。更重要的是，实时微内核提供的服务被外层各种API以不同的方式表现出来，由此可以增强整个系统的强壮性。

编制实时程序时，在很多实时操作系统上只能在内核层实现；而编制实时内核模块时，会受到内核的限制，比如有些实时内核不支持浮点运算，模块出错时容易使整个系统挂起，而且内核模块的调试比较困难。Xenomai能够支持较好的用户层实时，这为编制实时性要求不是非常高的实时程序提供了一个有效途径。下面这个用户层实时例程使用的是Xenomai提供的Native API:

从程序中可以看出，Xenomai的用户层实时程序的周期可以轻易地设定到μs级，所以它完全可以适用于一般实时性要求的工程应用。

3 总 结

本文首先简单介绍了实时操作系统，分析了Linux 2.6内核实时性能的不足；然后着重介绍了一个Linux实时化的解决方案--Xenomai,分析了Xenomai的Adeos构架基础，简要说明了Xenomai用户层实时的实现，以及Xenomai支持多种实时操作系统的API的新特点。Linux 2.6.35 Kernel引入了针对Radeon KMS开源显卡驱动的ATI电源管理支持、新款Intel GMA整合芯片组的Intel H.264 VA-API视频加速支持、Radeon DRI2同步和交换功能、Btrfs文件系统改进、网络传入负载处理器核心分布的RPS和RFS支持等等。

本文给出的Xenomai的用户层实时例程已经成功地在多个平台上运行过，表明Xenomai用户程序在多种硬件平台上有很好的移植性。