基于RTAI的嵌入式Linux硬實(shí)時(shí)性能的研究

0 引言

Linux是一種能運(yùn)行于多種平臺(tái)、源代碼公開、免費(fèi)、功能強(qiáng)大、遵守POSIX標(biāo)準(zhǔn)、與Unix兼容的操作系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，嵌入式Linux操作系統(tǒng)也在各方面得到了廣泛的應(yīng)用。但是，作為通用操作系統(tǒng)的Linux，要應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域，需要作必要的改進(jìn)。在電能質(zhì)量監(jiān)控等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的領(lǐng)域，需要將最初按照分時(shí)系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)計(jì)的Linux改造成能支持硬實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)。

uClinux操作系統(tǒng)是Linux操作系統(tǒng)的一個(gè)嵌入式變種，它作為一種優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)性能，但是它的實(shí)時(shí)性差,尤其不支持硬實(shí)時(shí)任務(wù)的特點(diǎn)卻極大地限制了其應(yīng)用。本文利用RTAI對(duì)uClinux的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了擴(kuò)展，并應(yīng)用于電能質(zhì)量監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)改造前后的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性分析和擴(kuò)展

實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為兩類，分別為軟實(shí)時(shí)（Soft Real-Time）和硬實(shí)時(shí)（Hard Real-Time）。軟實(shí)時(shí)是統(tǒng)計(jì)意義上的實(shí)時(shí)，并不能保證特定的任務(wù)在特定的時(shí)間內(nèi)完成，即便是處理時(shí)間超過(guò)了截止時(shí)間，結(jié)果也是有意義的。而硬實(shí)時(shí)是時(shí)間要求必須嚴(yán)格保證的實(shí)時(shí)，如果系統(tǒng)對(duì)某個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的處理未能在某個(gè)截止時(shí)間開始或者結(jié)束的話，會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的后果。因此，硬實(shí)時(shí)才是真正意義上的實(shí)時(shí)。Linux雖然也可采取基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，并且也將進(jìn)程分為實(shí)時(shí)進(jìn)程和非實(shí)時(shí)進(jìn)程，但是Linux的以下幾點(diǎn)特征決定了其本身很難完成硬實(shí)時(shí)的任務(wù)：

1）    Linux的內(nèi)核是不可搶占的。如果Linux的核心態(tài)進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)，其他進(jìn)程不管優(yōu)先級(jí)多高都需要等待處于核心態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用返回后才能執(zhí)行。

2）    為了保護(hù)臨界區(qū)資源，互斥的訪問(wèn)臨界區(qū)，Linux采用在臨界區(qū)操作時(shí)屏蔽中斷的方式，這抑制了系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部操作的能力。

3）    Linux內(nèi)核（2.6版本以前）采用了較大時(shí)間粒度的定時(shí)器，時(shí)鐘中斷周期為10ms，加大了任務(wù)響應(yīng)的延遲，無(wú)法滿足對(duì)時(shí)間精度要求苛刻的實(shí)時(shí)應(yīng)用。

目前實(shí)現(xiàn)Linux系統(tǒng)的硬實(shí)性的方法，依據(jù)是否對(duì)Linux的內(nèi)核進(jìn)行大規(guī)模修改，可以大致分為兩類：對(duì)內(nèi)核進(jìn)行大規(guī)模修改的兼容內(nèi)核方法和對(duì)內(nèi)核進(jìn)行小規(guī)模改動(dòng)的雙內(nèi)核方法。后者由于對(duì)內(nèi)核改動(dòng)小，效果明顯且遵守GPL得到了更加廣泛的推廣。它在Linux內(nèi)核之外，以可加載內(nèi)核模塊（Loadable Kernel Module）的形式添加實(shí)時(shí)內(nèi)核，并用該實(shí)時(shí)內(nèi)核接管來(lái)自硬件的所有中斷，并依據(jù)是否是實(shí)時(shí)任務(wù)決定是否直接響應(yīng)。這種方法的代表就是新墨西哥州立大學(xué)的FSM實(shí)驗(yàn)室推出的RT－Linux和由意大利米蘭理工學(xué)院航天工程系發(fā)起的RTAI。

2 RTAI的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

RTAI是實(shí)時(shí)應(yīng)用接口Real Time Application Interface的縮寫。它在Linux上定義了一組實(shí)時(shí)硬件抽象層RTHAL（Real Time Hardware Abstraction Layer），RTHAL將所有需要的Linux內(nèi)部數(shù)據(jù)和函數(shù)的指針集合到一個(gè)rthal的結(jié)構(gòu)中。Rthal結(jié)構(gòu)用于截取Linux硬件操作，在雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)工作時(shí)，它們可以被RTAI重定向，以取代Linux中原有的函數(shù)；同時(shí)RTAI只是用此程序界面與Linux進(jìn)行溝通。通過(guò)這種方法就可以把對(duì)Linux內(nèi)核源碼的改動(dòng)程度降到最低，可以避免RT－Linux方案對(duì)Linux內(nèi)核源碼改動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，便于在不同Linux版本之間的移植。

RTAI嚴(yán)格來(lái)說(shuō)只是一個(gè)具備了操作系統(tǒng)核心功能的實(shí)時(shí)的系統(tǒng)內(nèi)核，它接管了所有的硬件資源，將Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核作為它的一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來(lái)運(yùn)行。RTAI 是一個(gè)完全的占先式內(nèi)核，它具備了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的諸多特性，如實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)，任務(wù)對(duì)事件的實(shí)時(shí)響應(yīng)，細(xì)粒度的原子操作等。在RTAI/Linux雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)下，實(shí)時(shí)性的任務(wù)在RTAI的調(diào)度下運(yùn)行，非實(shí)時(shí)性和需要利用完善的操作系統(tǒng)功能的任務(wù)在Linux調(diào)度下運(yùn)行。由于Linux操作系統(tǒng)在RTAI下具有的優(yōu)先級(jí)很低，當(dāng)且僅當(dāng)RTAI沒(méi)有實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度時(shí)，Linux才能夠得到運(yùn)行。RTAI/Linux雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RTAI/Linux雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖

Fig1 Architecture of the RTAI/Linux system

RTAI以Linux的內(nèi)核模塊的形式運(yùn)行，提供雙內(nèi)核的實(shí)時(shí)服務(wù)。最基本的兩個(gè)模塊是rtai_module和rtai_sched_module，另外還有三個(gè)增強(qiáng)功能的模塊rtai_fifos_module、rtai_shm_module和rtai_lxrt_module。

rtai_module是一個(gè)核心模塊，RTHAL在這一模塊里實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)硬件的接管。以關(guān)硬件中斷行為為例說(shuō)明，Linux系統(tǒng)中原有的關(guān)中斷函數(shù)#define _cli_asm_volatile_(“cli”:::”memory”)直接通過(guò)匯編語(yǔ)言對(duì)硬件進(jìn)行操作，而在rtai_module模塊中，Linux中的關(guān)中斷函數(shù)被替換為執(zhí)行{processor[hard_cpu_id()].intr_flag = 0;}?？梢姡琇inux關(guān)中斷的執(zhí)行只是改變了RTAI中的中斷標(biāo)志位，并沒(méi)有直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。

rtai_sched_module模塊主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)調(diào)度，調(diào)度器基于優(yōu)先級(jí)且為可搶占式的；rtai_fifos_module是管道先入先出模塊，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)應(yīng)用與Linux應(yīng)用之間的通訊；rtai_shm_module模塊實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的通訊方式；rtai_lxrt_module允許在用戶空間使用RTAI的系統(tǒng)服務(wù)和調(diào)度期。

3 嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 電能質(zhì)量監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電能質(zhì)量問(wèn)題在電能的生產(chǎn)以及消費(fèi)單位越來(lái)越得到關(guān)注，這就要求有更加先進(jìn)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、控制裝置與其配套。在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備更多的投入了使用，這些設(shè)備大多采用嵌入式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在惡劣的條件下完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、控制以及通訊等一系列的任務(wù)。這些任務(wù)必須滿足嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，并且需要有很高的響應(yīng)速度，因此對(duì)于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。一個(gè)典型的基于嵌入式Linux的在線式電能質(zhì)量監(jiān)控器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 在線式電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig2 Architecture of an online power quality monitoring and control system

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用Freescale的MCF5249嵌入式微處理器完成了一套如圖2所示的在線式電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，微處理器內(nèi)部工作頻率為120Mhz，性能達(dá)125 Dhrystone 2.1 MIPS,外配4M FLASH和8M SDRAM存儲(chǔ)器。軟件方面，成功移植RTAI－uClinux雙內(nèi)核系統(tǒng)至此硬件平臺(tái)，并且針對(duì)實(shí)際應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了測(cè)試和分析。

3.2 時(shí)間分辨率測(cè)試

電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)需要周期性的對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣，并且某些實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的控制算法要求核心任務(wù)被重新調(diào)度的周期很短，因此系統(tǒng)對(duì)周期性實(shí)時(shí)任務(wù)的支持非常重要。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)如下：分別在uClinux和RTAI－uClinux下利用定時(shí)函數(shù)設(shè)計(jì)周期性的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，每一周期切換一次I/O口的電平，找出各自可分辨的穩(wěn)定的最小任務(wù)周期。

在處理器中等負(fù)荷條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

表1 時(shí)間分辨率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表

Table1 Analysis of the time resolution experiment

例如，在RTAI－uClinux系統(tǒng)中在不同的定時(shí)周期下的實(shí)驗(yàn)波形圖如圖3圖4所示。當(dāng)定時(shí)周期較大時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，而過(guò)小的定時(shí)周期（<50us）會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行變得不穩(wěn)定。

圖3 定時(shí)周期大于100微妙時(shí)的試驗(yàn)波形圖

Fig3 Oscillogram of the system output when cycle > 100us

圖4 定時(shí)周期小于50微妙時(shí)的試驗(yàn)波形圖

Fig4 Oscillogram of the system output when cycle < 50us