Linux实时化解决方案Xenomai的原理及应用

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 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(RTOS)是指当外界事件或数据产生时,能够接受并以足够快的速度予以处理,其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应,并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。因而,提供及时响应和高可靠性是其主要特点。实时操作系统有硬实时和软实时之分,硬实时要求在规定的时间内必须完成操作,这是在操作系统设计时保证的;软实时则只要按照任务的优先级,尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统。

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。实时系统(Real-time operating system,RTOS)的正确性不仅依耐系统计算的逻辑结果,还依赖于产生这个结果的时间。实时系统能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。因此实时系统应该在事先先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力;系统能够处理和储存控制系统所需要的大量数据。

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,着名的有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。

嵌入式实时系统的特点

一、时间约束性实时系统的任务具有一定的时间约束(截止时间)。根据截止时间,实时系统的实时性分为"硬实时"和"软实时".硬实时是指应用的时间需求能够得到完全满足,否则就造成重大安全事故,甚至造成重大的生命财产损失和生态破坏,如在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中的应用。软实时是指某些应用虽然提出时间需求,但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行及环境不会造成严重影响,如监控系统等和信息采集系统等。

二、可预测性可预测性是指系统能够对实时任务的执行时间进行判断,确定是否能够满足任务的时限要求。由于实时系统对时间约束要求的严格性,使可预测性称为实时系统的一项重要性能要求。除了要求硬件延迟的可预测性以外,还要求软件系统的可预测性,包括应用程序的响应时间是可预测的,即在有限的时间内完成必须的工作;以及操作系统的可预测性,即实时原语、调度函数等运行开销应是有界的,以保证应用程序执行时间的有界性。

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。最为显着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。

(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。

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。

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Linux实时化解决方案Xenomai的原理及应用

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