基于Xenomai的实时Linux分析与研究

作者:南京航空航天大学 王荣 游有鹏 张少坤

引 言
   
随 着嵌入式设备的快速发展,嵌入式设备的功能和灵活性要求越来越高,很多嵌入式设备中都开始使用操作系统。由于工作的特殊性,很多嵌入式设备要求系统对外部 事件的中断响应必须在事先设定的时限范围内完成,使系统具有可预测性,而通用的桌面操作系统大都是非实时或者是软实时的,无法满足需求,因此就必须使用实 时操作系统(Real—Time Operating System,RTOS)。
    实时操作系统是一个可以在有限确定的时间内,对异步输入进行处理并输出的信息系统。一个高性能的实时操作系统应具备良好的综合性能,包括系统体系结构、基本系统功能支持(如内存和中断管理)、APl支持和稳定性等。
    实时系统又有软实时系统(soft real—time system)和硬实时系统(hard real—time system)之分。软实时系统是指那些在系统负荷较重时,允许发生错过时限(deadline)的情况而且不会造成太大危害的系统,如电视会议系统;而 硬实时系统是指那些对每个任务的调度时间要求非常严格的系统,如果不满足时间限制的要求,则会给系统带来毁灭性的后果。比如数控机床的进给控制系统,在规 定时间内进给系统必须达到预定的位置,否则无法保证加工零件的精度,甚至无法完成加工。
    在嵌入式系统领域,实时系统的核心是实时操作系统。目前已有很多商业实时操作系统,著名的有WindRiver公司的VxWorks,其他的有QNX、 pSOS+等。它们的优点是具有非常好的稳定性、可靠性和实时性,但是一般价格昂贵且互不兼容,而且源代码作为商业秘密而不公开。与之相反,GPL协议下 的Linux操作系统则为开发者在前人基础上进行更深入的研究提供了可能。目前,具有代表性的Linux内核实时性研究项目有RT—Linux、 RTAI、Xenomai等。

1 Linux 2.6内核的实时性分析
    相对于老版本内核,Linux 2.6版本的内核结构做了很大的改动,开发者对很多功能模块的代码都进行了重写。最为显著的改进是在影响系统实时性的进程调度方面,包括采用可抢占内核和新的0(1)调度程序。
    但是Linux在最初的设计是用作个人PC或者小型服务器的操作系统,由于设计要求的针对性,导致了Linux无法提供硬实时环境,直接影响了它的硬实时性能。这主要表现在两方面:
    (1)进程调度方式
    Linux 的进程调度采用的是时间片轮转调度策略。不论进程优先级的高低,Linux在某段时间内都会分配给该进程一个时间片运行,也就是说它的设计更注重任务调度 的公平性。这种情况下,就会出现高优先级进程由于其时间片的耗尽而被迫放弃处理器,处理器被没有耗尽时间片的低优先级进程所占用的现象。这样显然无法适用 于实时性要求比较高的系统。
    (2)时钟粒度粗糙
   
在Linux 2.6版本内核中,时钟中断发生的频率范围为50~1 200Hz,周期不小于0.8 ms,而工业上很多的中断周期都在几十μs之内。
    对于上面提到的影响Linux实时性的问题,目前的解决办法主要有2种:
    ①对Linux内核的内部进行实时改造,即直接修改Linux内核的数据结构、调度方式以及中断方式(主要是时钟中断)。
    采用这种方法,实时化改造后的系统实时性较好,但是工作量大,并且可能会造成系统不稳定。最大的缺点是:原本在Linux上运行的设备驱动程序和应用程序不能直接在改进的内核上运行。典型代表有Kurt-Linux。
    ②对Linux内核的外部实时扩展,这种方法通常是采用双内核的办法。具体是在Linux内核和硬件间加入一个硬件抽象层(Hardware Abstract Layer,HAL),系统所有的硬件中断由这个抽象层控制。新创建一个内核专门用来调度实时进程,而普通进程通过原来的Linux内核进行调度。采用此 方法的最大好处在于对Linux的内核改动很小,而且原Linux上的设备驱动程序和应用程序都能顺利地在此实时系统上运行。其代表有RT—Linux、 RTAI和Xenomai。

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。其中,Adeos实现的功能主要包 括中断管道机制(I—Pipe)、域管理模块和域调度模块功能。
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:

    在用户层,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。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。

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