引言：本文提出了一種基于uClinux的實時操作系統(tǒng)，在對于資源要求苛刻而應(yīng)用場合多變的嵌入式領(lǐng)域很有優(yōu)勢。該系統(tǒng)采用了雙內(nèi)核機(jī)制、借助實時硬件抽象層(RTHAL)概念、利用模塊動態(tài)加載，對普通uClinux進(jìn)行了實時性改進(jìn)，實驗表明完全滿足實時系統(tǒng)的時限約束。

　　嵌入式Linux以代碼開放、價格低廉、功能強(qiáng)大又易于移植的特性正在被廣泛應(yīng)用，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了一個極具吸引力的選擇。uClinux是專門針對無存儲器管理單元(MMU)處理器設(shè)計的嵌入式Linux，非常適合中低端嵌入式系統(tǒng)的需求，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　但許多實際應(yīng)用要求對外部事件在限定的時間內(nèi)做出反應(yīng)，而普通uClinux并不是一種實時操作系統(tǒng)，所以本文提出了一種基于uClinux的實時性解決方案，經(jīng)測試可以嚴(yán)格滿足實時應(yīng)用的時限約束，有良好的應(yīng)用價值。

　　基于uClinux的實時方案分析

　　1．uClinux實時性缺陷

　　uClinux雖然符合POSIX1003.1b關(guān)于實時擴(kuò)展部分的標(biāo)準(zhǔn)，例如支持SCHED_FIFO和SCHED_RR實時調(diào)度策略、實時信號等實時功能，但由于其初的設(shè)計目標(biāo)為通用分時操作系統(tǒng)，因此在實時性支持方面，uClinux仍存在如下缺陷：

　　a．非搶占式內(nèi)核。uClinux有用戶態(tài)和核心態(tài)兩種模式，當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在用戶態(tài)時，可以被優(yōu)先級更高的進(jìn)程搶占；在內(nèi)核中，一個進(jìn)程可以通過schedule()函數(shù)自愿地啟動一次調(diào)度。除此之外，非自愿的強(qiáng)制調(diào)度只能發(fā)生在每次從系統(tǒng)調(diào)用返回前，或每次從中斷或異常處理返回到用戶空間前。

　　B．公平的調(diào)度算法。普通uClinux作為一個分時系統(tǒng)，其調(diào)度算法的目標(biāo)是提供一種公平的調(diào)度機(jī)制，平衡系統(tǒng)響應(yīng)時間和吞吐量，這與實時應(yīng)用要求的低延遲和高度的可預(yù)測性相矛盾。實時操作系統(tǒng)必須保證目前運(yùn)行的任務(wù)的優(yōu)先級是可運(yùn)行任務(wù)中的。

　　C．頻繁地關(guān)中斷操作。uClinux為了保證核心數(shù)據(jù)的完整性，在對關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改前，通常采用"關(guān)中斷"的方式。而非周期實時任務(wù)大多是由中斷作出響應(yīng)，周期性實時任務(wù)也需要調(diào)度模塊來調(diào)度運(yùn)行，而調(diào)度模塊的執(zhí)行也要由時鐘中斷觸發(fā)。所以，頻繁的關(guān)中斷會導(dǎo)致實時任務(wù)不能被及時調(diào)度執(zhí)行。

　　D．時鐘粒度粗糙。時鐘管理是操作系統(tǒng)的脈搏，是進(jìn)程調(diào)度的重要依據(jù)。普通uClinux的時鐘粒度被設(shè)置為10ms，而實時應(yīng)用一般都需要微秒級的響應(yīng)精度。

　　2. uClinux實時解決方案

　　uClinux支持硬實時性的策略有以下兩種：

　　a. 直接修改內(nèi)核法

　　將內(nèi)核中的進(jìn)程調(diào)度、中斷處理、時鐘等部分遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改寫，在源代碼級的基礎(chǔ)上使uClinux變成一個實時操作系統(tǒng)。這種策略雖然可以獲得高的執(zhí)行效率，但實現(xiàn)難度大、周期比較長，而且對原有內(nèi)核太強(qiáng)的依賴性使得升級工作繁重而不方便。

　　b. 雙內(nèi)核方法

　　在同一硬件平臺上采用了兩個相互配合、共同工作的系統(tǒng)內(nèi)核，一個內(nèi)核提供精確的實時多任務(wù)管理，另一個內(nèi)核提供復(fù)雜的非實時通用功能。由于uClinux支持內(nèi)核模塊動態(tài)加載，因此實時內(nèi)核可在需要時以模塊的形式載入。雙內(nèi)核機(jī)制避免了大規(guī)模結(jié)構(gòu)改造，以較小的代價提供了強(qiáng)實時性，新系統(tǒng)可使用幾乎所有常規(guī)uClinux操作系統(tǒng)提供的功能。

　　本文提出的嵌入式實時操作系統(tǒng)采用雙內(nèi)核的設(shè)計思想，在普通uClinux基礎(chǔ)上，通過增加一個實時內(nèi)核實現(xiàn)了調(diào)度的可搶占性，同時在系統(tǒng)中實現(xiàn)了硬件抽象層RTHAL，避免了頻繁關(guān)中斷所導(dǎo)致的實時任務(wù)不能被及時調(diào)度執(zhí)行的缺陷。，對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行了改進(jìn)，滿足了實時應(yīng)用微秒級的響應(yīng)精度。

　　基于uClinux的實時操作系統(tǒng)設(shè)計

　　1. 搶占式實時內(nèi)核

　　實時內(nèi)核完全掌握了硬件層，而把非實時內(nèi)核作為一個優(yōu)先級的普通任務(wù)運(yùn)行于自己之上。實時內(nèi)核采用了搶占式調(diào)度算法，非實時內(nèi)核也通過RTHAL獲得實時內(nèi)核所用的替代函數(shù)，這就為應(yīng)用雙內(nèi)核機(jī)制實現(xiàn)可搶占式內(nèi)核奠定了基礎(chǔ)。

　　實時內(nèi)核將各種功能以模塊形式實現(xiàn)，在系統(tǒng)運(yùn)行時可以方便地加載、卸載，從而大大減少核心代碼的規(guī)模，節(jié)省內(nèi)核空間并方便進(jìn)行動態(tài)配置。圖1是雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)的嵌入式實時uClinux的體系結(jié)構(gòu)圖。可以看出，在RTHAL架構(gòu)下實時內(nèi)核主要由中斷分發(fā)器和實時調(diào)度器構(gòu)成，這是實時內(nèi)核基本的功能。同時還將實時SHM、實時FIFO、RTCOM和SFLIB設(shè)計成模塊的形式，可以靈活地根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行加載。

　　實時SHM和實時FIFO是實時內(nèi)核任務(wù)和非實時內(nèi)核任務(wù)之間的通信橋梁。SFLIB是浮點運(yùn)算軟件模擬的功能模塊，為了解決處理器不支持內(nèi)核浮點運(yùn)算而設(shè)計的。RTCOM則可以提供實時串口通信功能。

　　搶占式內(nèi)核提供多種實時調(diào)度策略，包括FIFO、RR、RM、EDF算法，同時還允許使用者根據(jù)應(yīng)用需要編寫自己的調(diào)度算法。任務(wù)調(diào)度的時機(jī)有兩種，一種是主動調(diào)度，即在程序中主動調(diào)用rt_schedule()函數(shù)來讓出運(yùn)行權(quán)；另一種是被動調(diào)度，即在時鐘中斷處理函數(shù)rt_timer_handler()中進(jìn)行調(diào)度。以上兩個函數(shù)的算法基本相同，故僅給出rt_schedule()的流程圖(圖2)。

　　2．RTHAL

　　從Linux2.1版開始提出了實時硬件抽象層(RTHAL)的概念，而uClinux本身并不具有RTHAL。這里借鑒RTHAL的思想，對uClinux核心進(jìn)行改動，將其與中斷控制器隔離，核心中的所有中斷操作指令都被替換成相應(yīng)的宏。可以簡單地理解為，這時的開中斷、關(guān)中斷指令實際上僅僅變更一個中斷狀態(tài)標(biāo)志的值，并不真正改變中斷狀態(tài)。通過RTHAL這一機(jī)制，避免了頻繁關(guān)中斷所導(dǎo)致的實時任務(wù)不能被及時調(diào)度執(zhí)行的缺陷。

　　1．RTHAL數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　將所有需要的內(nèi)部數(shù)據(jù)及函數(shù)的指針集成為一個結(jié)構(gòu)體RTHAL，這樣就能方便地捕獲全部與實時應(yīng)用緊密相關(guān)的內(nèi)核函數(shù)。當(dāng)需要響應(yīng)硬實時事件時，實時內(nèi)核可以動態(tài)地把這些函數(shù)切換到相應(yīng)的軟件模擬函數(shù)上。

　　2．RTHAL作用

　　為了更好地說明RTHAL的作用，下面詳細(xì)說明實時模塊加載前后內(nèi)核所發(fā)生的變化。

　　A．實時模塊加載前

　　首先解釋一下硬件支撐層(HSL)的概念：在linux代碼樹中HSL一般是由匯編語言編寫的與底層硬件密切相關(guān)的部分，它的作用是在中斷發(fā)生時保存現(xiàn)場并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核中相應(yīng)的中斷處理函數(shù)入口，在中斷返回時恢復(fù)現(xiàn)場，同時還起著進(jìn)程切換的作用。

　　如圖3所示，改動前uClinux內(nèi)核可以通過開/關(guān)中斷操作直接打開或關(guān)閉所有中斷，也可以通過屏蔽/解屏蔽操作關(guān)閉和打開特定的中斷。由于中斷處理、系統(tǒng)調(diào)用和異常處理需要經(jīng)常關(guān)閉中斷，頻繁的關(guān)中斷會導(dǎo)致實時任務(wù)不能被及時調(diào)度執(zhí)行，從而使系統(tǒng)響應(yīng)時間增長，實時性降低。

　　這時uClinux直接與硬件層打交道，例如關(guān)中斷指令cli的宏定義為：

　　#define __cli() __asm__ __volatile__("cli": : :"memory")

　　即uClinux內(nèi)核直接通過cli匯編指令控制硬件。

　　B．實時內(nèi)核加載后

　　當(dāng)系統(tǒng)實現(xiàn)了RTHAL后，如圖4所示，uClinux的開/關(guān)中斷操作被分別指向RTHAL的disint( )和enint( )函數(shù)。disint( )指向?qū)崟r模塊的_linux _cli( )函數(shù)，作用是設(shè)置中斷標(biāo)志位為關(guān)中斷狀態(tài)；enint( )函數(shù)指向?qū)崟r模塊的_linux_sti( )函數(shù)，作用是設(shè)置中斷標(biāo)志位為開中斷狀態(tài)，并處理掛起的uClinux中斷請求；而屏蔽/解屏蔽操作被分別指向?qū)崟r模塊的linux_irq_mask( )函數(shù)和linux_irq_unmask()函數(shù)。

　　當(dāng)中斷通過HSL調(diào)用RTHAL中的do_IRQ( )函數(shù)，這個函數(shù)指向?qū)崟r模塊的dispatch_irq( )函數(shù)。其作用是判斷當(dāng)前中斷是否是實時中斷，如果是實時中斷，則實時模塊處理這個中斷；如果是非實時的，則將這個中斷掛到uClinux中斷請求隊列中，由uClinux內(nèi)核的來處理非實時中斷。

　　例如，linux_cli()函數(shù)在加載實時內(nèi)核后被改寫為：

　　static void linux_cli(void)

　　{

　　processor[hard_cpu_id()].intr_flag = 0;

　　}

　　即當(dāng)uClinux要關(guān)中斷時，實時模塊的處理只是僅僅設(shè)置了中斷標(biāo)志位，并沒有真正的去關(guān)硬件中斷。由此，實時模塊實現(xiàn)了對硬件層的接管，而把非實時內(nèi)核作為一個優(yōu)先級的普通任務(wù)運(yùn)行，這樣就可以充分保證實時中斷的及時響應(yīng)，從而保證了系統(tǒng)的實時性。

　　3. 細(xì)粒度時鐘的實現(xiàn)

　　對于時鐘機(jī)制的改造，可以通過提高系統(tǒng)時鐘精度來增強(qiáng)系統(tǒng)的實時性，特別是對外部中斷的響應(yīng)。在系統(tǒng)中引入兩種定時器模式：Periodic(周期性)和Oneshot(一次性)。

　　A．Periodic模式

　　對于周期性實時任務(wù)應(yīng)用這種模式，只需要在初始化時對定時器進(jìn)行設(shè)置，保證了處理效率。

　　B．Oneshot模式

　　對于非周期實時任務(wù)應(yīng)用這種模式。在任何時刻，時鐘的下一次中斷間隔由所有定時器中到期早的一個來決定。一旦定時器到期，內(nèi)核便能夠立刻響應(yīng)，因此內(nèi)核的響應(yīng)開銷只由中斷服務(wù)的時間所決定，大約只有幾個微秒。

　　在i386體系結(jié)構(gòu)中，有TSC(時間標(biāo)簽計數(shù)器)計數(shù)器，這個計數(shù)器是64位的寄存器，可以精確到1/主頻。在s3c4510b處理器上沒有這個寄存器，但精確計時又是必要的，為了解決這一問題，可以采用計時器2(timer1)來模擬TSC的功能。每來一個時鐘脈沖，timer1的TCNT1寄存器減1，減到零后產(chǎn)生時鐘中斷，再從TDATA1中讀TCNT1的值，往復(fù)運(yùn)行。由于TCNT1寄存器僅32位，s3c4510b的主頻為50MHz，置TDATA的值為0xffffffff時，僅運(yùn)行8分多鐘就溢出了。于是設(shè)置一個32位全局變量tsc.hltsc，timer1每次中斷到來時將這個全局變量加1，為了使系統(tǒng)更精確，必須將timer1中斷設(shè)置為優(yōu)先級，這樣就可以模擬64位的TSC寄存器。

　　實驗結(jié)果及結(jié)論

　　該系統(tǒng)平臺為：以ARM7TDMI為核心的Samsung4510B處理器、2M閃存和16M RAM，處理器運(yùn)行頻率為50MHz。經(jīng)驗證，未加載實時內(nèi)核前，中斷延遲雖大多數(shù)在30us(1500個時鐘脈沖@50MHz)以下，但是并不十分穩(wěn)定，有時超過200us(10000時鐘脈沖@50MHz)，的甚至達(dá)到430us(21525個時鐘脈沖@50MHz)。實時系統(tǒng)以中斷延遲作為衡量指標(biāo)，因此這對于實時應(yīng)用來講是不能忍受的。加載了實時模塊后，中斷延遲時間大約為10us～30us，而且結(jié)果十分穩(wěn)定，完全滿足實時系統(tǒng)的相關(guān)要求。

　　本文小結(jié)

　　本文提出的嵌入式實時操作系統(tǒng)采用雙內(nèi)核機(jī)制、實現(xiàn)了RTHAL的概念，使得直接修改內(nèi)核的部分減至小。同時實時內(nèi)核充分利用模塊動態(tài)加載機(jī)制，在系統(tǒng)運(yùn)行時方便地加添加、刪除各個功能模塊，從而大大減少核心代碼的規(guī)模、節(jié)省內(nèi)核空間、方便進(jìn)行動態(tài)配置，對于資源要求苛刻而應(yīng)用場合多變的嵌入式領(lǐng)域很有優(yōu)勢。