uClinux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)化分析與研究

3.3 RTAI的中斷處理機(jī)制

RTAI的最核心部分就是其中斷處理機(jī)制。RTAI構(gòu)建了一個(gè)小實(shí)時(shí)內(nèi)核接管硬件及中斷，支持EDF，RM兩種經(jīng)典實(shí)時(shí)調(diào)度算法，Linux作為此實(shí)時(shí)內(nèi)核的最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)被執(zhí)行。因而實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)，Linux及其應(yīng)用程序?qū)⒈粨屨肌TAI引入了軟中斷模擬技術(shù)，在發(fā)生硬件中斷時(shí)，實(shí)時(shí)內(nèi)核只是把它放到中斷記錄表中，在沒(méi)有實(shí)時(shí)應(yīng)用運(yùn)行時(shí)才向Linux派發(fā)這些被保留的中斷。同時(shí)實(shí)時(shí)內(nèi)核還監(jiān)控Linux的開/關(guān)中斷原語(yǔ)，以避免這些操作把實(shí)際的中斷關(guān)閉而影響實(shí)時(shí)內(nèi)核的響應(yīng)時(shí)間。主要包括以下幾個(gè)方面：

①函數(shù)替換

首先是Linux的開/關(guān)中斷等函數(shù)被RTAI提供的函數(shù)所替代，這樣Linux不能真正的關(guān)閉中斷，而只是一個(gè)軟件的機(jī)制。當(dāng)外設(shè)中斷到來(lái)時(shí)，RTAI的替換函數(shù)必須檢查硬件中斷標(biāo)志是否關(guān)閉和調(diào)用是否來(lái)自RTAI上下文。在此兩種情況之下，不能直接調(diào)用Linux的中斷處理函數(shù)，中斷分發(fā)器只用于當(dāng)CPU處于Linux上下文并且Linux開中斷時(shí)，才調(diào)用Linux的中斷處理例程（ISR）。

②全局變量

RTAI為每個(gè)中斷源定義了一個(gè)全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struct linux_irq{struct list_head list;

int irq;

int masked;

int pending;}

其中l(wèi)ist_head用于從Linux的中斷掛起隊(duì)列中插入或刪除。irq被初始化為此結(jié)構(gòu)體所對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)。masked是一個(gè)標(biāo)志位，可能具有以下3種值：1表示在中斷延遲函數(shù)中設(shè)置；2表示由Linux中斷mask函數(shù)設(shè)置；3表示由Linux中斷unmask函數(shù)設(shè)置。

③中斷傳遞

中斷傳遞可能被RTAI中斷分發(fā)器或Linux的開中斷函數(shù)所調(diào)用。當(dāng)Linux打開中斷時(shí)，檢查掛起中斷鏈表是否為空，若不為空，則循環(huán)進(jìn)行處理，直到所有中斷都被處理為止。其算法如下：

while(irqlist 不空){

從irqlist隊(duì)列中取出一個(gè)中斷；

if(該中斷正在被屏蔽) continue;

else{關(guān)閉Linux中斷；執(zhí)行中斷處理例程；開中斷；}}

3.4 RTAI的任務(wù)調(diào)度

①細(xì)粒度定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)Linux的定時(shí)器提供10ms的調(diào)度粒度，不足以達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)速度的要求。RTAI通過(guò)提高系統(tǒng)時(shí)鐘精度改寫了時(shí)鐘處理程序，使之支持更高分辨率時(shí)鐘的周期模式，引入了兩種定時(shí)器模式：periodic（周期性）和one shot（一次性）。對(duì)于周期性實(shí)時(shí)任務(wù)應(yīng)用periodic模式，只需要在初始化時(shí)對(duì)定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置，保證了處理效率；對(duì)于非周期實(shí)時(shí)任務(wù)應(yīng)用one shot模式。在任何時(shí)刻，時(shí)鐘的下一次中斷間隔由所有定時(shí)器中到期最早的一個(gè)來(lái)決定。一旦定時(shí)器到期，內(nèi)核便能夠立刻響應(yīng)，內(nèi)核的響應(yīng)開銷只由中斷服務(wù)的時(shí)間所決定，使得實(shí)時(shí)應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到納秒級(jí)的水平，完全可以滿足一般工業(yè)應(yīng)用實(shí)時(shí)控制的要求。

②調(diào)度機(jī)制

在實(shí)時(shí)任務(wù)之間、實(shí)時(shí)任務(wù)與Linux應(yīng)用之間提供豐富的通訊機(jī)制（如FIFO管道、MBUFF共享內(nèi)存等）進(jìn)行通信；Linux應(yīng)用可以通過(guò)這些通訊機(jī)制與實(shí)時(shí)應(yīng)用交互，同時(shí)也可以通過(guò)實(shí)時(shí)內(nèi)核中的實(shí)時(shí)應(yīng)用代理（LXRT）運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)。

任何實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)都要高于Linux，只有當(dāng)沒(méi)有實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，Linux才被調(diào)度，從而保證了RTAI的實(shí)時(shí)性。任務(wù)的調(diào)度周期在任務(wù)初始化時(shí)由程序員指定，也可在某個(gè)時(shí)刻調(diào)用API修改。rt_task_struct包含多個(gè)雙向指針，所有的任務(wù)（包括Linux）都包括在各個(gè)鏈表中。如 ready任務(wù)鏈表，其中Linux為鏈表頭，當(dāng)發(fā)生調(diào)度時(shí)，RTAI在ready鏈表中搜尋優(yōu)先級(jí)最大的任務(wù)并切換執(zhí)行，當(dāng)沒(méi)有實(shí)時(shí)任務(wù)在ready態(tài)時(shí)，則切換至Linux系統(tǒng)。

4. RTAI在μClinux上的移植

4.1 RTHAL的移植

圖2基于RTAI的μClinux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)

借鑒RTHAL的思想，對(duì)μClinux核心進(jìn)行改動(dòng)，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。對(duì)于RTAI的移植而言，最重要的部分就是RTHAL的移植，RTAI絕大部分與處理器相關(guān)的代碼都在這里，這里以作者所使用的S3C4510B（ARM7的核）和μClinux環(huán)境為例進(jìn)行說(shuō)明。由于RTAI已經(jīng)有ARM處理器上的版本，因此可以參照ARM7處理器的RTHAL來(lái)移植到S3C4510B上。由于μClinux為針對(duì)沒(méi)有MMU處理器的操作系統(tǒng)，因此RTAI需要去除與MMU相關(guān)的代碼。對(duì)于S3C4510B和μClinux，其RTHAL主要包括如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

｛指向IDT的指針;

打開/關(guān)閉中斷函數(shù)(cli,stiflags);

控制中斷mask/unmask函數(shù);

中斷狀態(tài)的數(shù)據(jù)描述符(status,hander,nestedlevel,…);}