Linux實時化解決方案Xenomai的原理及應用

引 言

隨著嵌入式設(shè)備的快速發(fā)展，嵌入式設(shè)備的功能和靈活性要求越來越高，很多嵌入式設(shè)備中都開始使用操作系統(tǒng)。由于工作的特殊性，很多嵌入式設(shè)備要求系統(tǒng)對外部事件的中斷響應必須在事先設(shè)定的時限范圍內(nèi)完成，使系統(tǒng)具有可預測性，而通用的桌面操作系統(tǒng)大都是非實時或者是軟實時的，無法滿足需求，因此就必須使用實時操作系統(tǒng)（Real-TIme OperATIng System,RTOS）。

實時操作系統(tǒng)（RTOS）是指當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。因而，提供及時響應和高可靠性是其主要特點。實時操作系統(tǒng)有硬實時和軟實時之分，硬實時要求在規(guī)定的時間內(nèi)必須完成操作，這是在操作系統(tǒng)設(shè)計時保證的；軟實時則只要按照任務的優(yōu)先級，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統(tǒng)在經(jīng)過一定改變之后就可以變成實時操作系統(tǒng)。

實時系統(tǒng)又有軟實時系統(tǒng)（soft real-time system）和硬實時系統(tǒng)（hard real-time sySTem）之分。軟實時系統(tǒng)是指那些在系統(tǒng)負荷較重時，允許發(fā)生錯過時限（deadline）的情況而且不會造成太大危害的系統(tǒng)，如電視會議系統(tǒng)；而硬實時系統(tǒng)是指那些對每個任務的調(diào)度時間要求非常嚴格的系統(tǒng)，如果不滿足時間限制的要求，則會給系統(tǒng)帶來毀滅性的后果。實時系統(tǒng)（Real-time operating system,RTOS）的正確性不僅依耐系統(tǒng)計算的邏輯結(jié)果，還依賴于產(chǎn)生這個結(jié)果的時間。實時系統(tǒng)能夠在指定或者確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和外部或內(nèi)部、同步或異步時間做出響應的系統(tǒng)。因此實時系統(tǒng)應該在事先先定義的時間范圍內(nèi)識別和處理離散事件的能力；系統(tǒng)能夠處理和儲存控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。

在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，實時系統(tǒng)的核心是實時操作系統(tǒng)。目前已有很多商業(yè)實時操作系統(tǒng)，著名的有WindRiver公司的VxWorks,其他的有QNX、pSOS+等。它們的優(yōu)點是具有非常好的穩(wěn)定性、可靠性和實時性，但是一般價格昂貴且互不兼容，而且源代碼作為商業(yè)秘密而不公開。

嵌入式實時系統(tǒng)的特點

一、時間約束性實時系統(tǒng)的任務具有一定的時間約束（截止時間）。根據(jù)截止時間，實時系統(tǒng)的實時性分為"硬實時"和"軟實時".硬實時是指應用的時間需求能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關(guān)鍵領(lǐng)域中的應用。軟實時是指某些應用雖然提出時間需求，但實時任務偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運行及環(huán)境不會造成嚴重影響，如監(jiān)控系統(tǒng)等和信息采集系統(tǒng)等。

二、可預測性可預測性是指系統(tǒng)能夠?qū)崟r任務的執(zhí)行時間進行判斷，確定是否能夠滿足任務的時限要求。由于實時系統(tǒng)對時間約束要求的嚴格性，使可預測性稱為實時系統(tǒng)的一項重要性能要求。除了要求硬件延遲的可預測性以外，還要求軟件系統(tǒng)的可預測性，包括應用程序的響應時間是可預測的，即在有限的時間內(nèi)完成必須的工作；以及操作系統(tǒng)的可預測性，即實時原語、調(diào)度函數(shù)等運行開銷應是有界的，以保證應用程序執(zhí)行時間的有界性。

1 Linux 2.6內(nèi)核的實時性分析

相對于老版本內(nèi)核，Linux 2.6版本的內(nèi)核結(jié)構(gòu)做了很大的改動，開發(fā)者對很多功能模塊的代碼都進行了重寫。最為顯著的改進是在影響系統(tǒng)實時性的進程調(diào)度方面，包括采用可搶占內(nèi)核和新的0（1）調(diào)度程序。

但是Linux在最初的設(shè)計是用作個人PC或者小型服務器的操作系統(tǒng)，由于設(shè)計要求的針對性，導致了Linux無法提供硬實時環(huán)境，直接影響了它的硬實時性能。這主要表現(xiàn)在兩方面：

（1）進程調(diào)度方式

Linux的進程調(diào)度采用的是時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略。不論進程優(yōu)先級的高低，Linux在某段時間內(nèi)都會分配給該進程一個時間片運行，也就是說它的設(shè)計更注重任務調(diào)度的公平性。這種情況下，就會出現(xiàn)高優(yōu)先級進程由于其時間片的耗盡而被迫放棄處理器，處理器被沒有耗盡時間片的低優(yōu)先級進程所占用的現(xiàn)象。

（2）時鐘粒度粗糙

在Linux 2.6版本內(nèi)核中，時鐘中斷發(fā)生的頻率范圍為50~1 200Hz,周期不小于0.8 ms,而工業(yè)上很多的中斷周期都在幾十μs之內(nèi)。

對于上面提到的影響Linux實時性的問題，目前的解決辦法主要有2種：

①對Linux內(nèi)核的內(nèi)部進行實時改造，即直接修改Linux內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、調(diào)度方式以及中斷方式（主要是時鐘中斷）。

采用這種方法，實時化改造后的系統(tǒng)實時性較好，但是工作量大，并且可能會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。最大的缺點是：原本在Linux上運行的設(shè)備驅(qū)動程序和應用程序不能直接在改進的內(nèi)核上運行。典型代表有Kurt-Linux.
②對Linux內(nèi)核的外部實時擴展，這種方法通常是采用雙內(nèi)核的辦法。具體是在Linux內(nèi)核和硬件間加入一個硬件抽象層（Hardware Abstract Layer,HAL），系統(tǒng)所有的硬件中斷由這個抽象層控制。新創(chuàng)建一個內(nèi)核專門用來調(diào)度實時進程，而普通進程通過原來的Linux內(nèi)核進行調(diào)度。

2 Xenomai原理與應用

2.1 Xenomai簡介及其Adeos實現(xiàn)

Xenomai是一個自由軟件項目，提供了一個基于Linux的實時解決方案。它可以提供工業(yè)級RTOS的性能，而且完全遵守GNU/Linux自由軟件協(xié)議。目前最新穩(wěn)定版本是2.4.5.

Xenomai項目起始于2001年。從2003年夏天起，Xenomai和RTAI有了兩年時間的合作，期間開發(fā)了廣為人知的RTAI/fusiON項目分支。到2005年，Xenomai項目又重新獨立出來。而從2.0.0版本開始，Xenomai在硬件平臺的移植就一直是基于Adeos構(gòu)架來實現(xiàn)的。