如何在非實(shí)時(shí)linux上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序與內(nèi)核模塊之間共享存儲(chǔ)器

linux并不是嚴(yán)格意義上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為了實(shí)際需要，工程師們必須想盡辦法來(lái)禰補(bǔ)這一不足，于是出現(xiàn)了rtlinux和rtai等并不強(qiáng)調(diào)商業(yè)性的軟件。免費(fèi)的rtlinux顯然龐大而并不兼容大部分的嵌入式平臺(tái)，最新版本的rtlinux也只能支持I386和PPC而已。Rtai是不錯(cuò)的選擇，但要把它移植到你的平臺(tái)上去，為了適應(yīng)你的linux版本，你的CPU，你必須的花費(fèi)許多的工作，比如說(shuō)最近比較流行的AT91RM9200DK，光修改linux版本補(bǔ)丁就要花費(fèi)許多的功夫。Rtlinux和rtai為了增強(qiáng)linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，主要是通過(guò)開(kāi)辟內(nèi)核模塊與應(yīng)用程序之間可以共享的內(nèi)存快來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它們?cè)趦?nèi)核空間控制硬實(shí)時(shí)任務(wù)的運(yùn)行，并通過(guò)一個(gè)名為FIFO的共享內(nèi)存塊來(lái)與應(yīng)用程序進(jìn)行通信。他們是很不錯(cuò)的軟件，我想用不了多久他們就會(huì)具備更強(qiáng)大的可移植性。但我在本文主要是想詳細(xì)的介紹一個(gè)適合小型嵌入式系統(tǒng)使用的增強(qiáng)linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的方法。當(dāng)然，原理也是開(kāi)辟一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序與內(nèi)核模塊之間可以共享的內(nèi)存。

眾所周知，內(nèi)核空間和用戶空間只能通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)共享數(shù)據(jù)，如果進(jìn)程要等待一個(gè)中斷的發(fā)生，它所能做的就是把自己掛在等待隊(duì)列里，直到中斷服務(wù)程序來(lái)喚醒它。然后，進(jìn)程才把內(nèi)核空間的的數(shù)據(jù)通過(guò)特定的系統(tǒng)調(diào)用寫(xiě)到用戶空間里。大部分程序員為了避免這樣造成的不可忍耐的延時(shí)，都會(huì)把對(duì)數(shù)據(jù)的操作都放在內(nèi)核空間里運(yùn)行，也就是擴(kuò)大中斷服務(wù)程序的功能。但如果開(kāi)辟兩個(gè)空間可以共享的內(nèi)存塊，程序員就不必要這么為難了。我以AT91RM9200DK的平臺(tái)為例，linux操作系統(tǒng)版本為2.4.19－rmk7，不需要半天時(shí)間，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)空間的共享內(nèi)存。

AT91RM9200DK的SDRAM的大小為31Mbyte，正常情況下，System RAM的大小也是31Mbyte，我們要把31Mbyte的高端地址空出2M來(lái)作為我們的共享內(nèi)存塊，這個(gè)內(nèi)存塊是獨(dú)立的，不能為linux操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理所用了。首先必須通知內(nèi)核它的內(nèi)存只有30Mbyte了，我的方法是在u-boot的環(huán)境變量里設(shè)置mem＝29M。然后在include/asm-arm/目錄下建立頭文件：new_fifo.h，代碼如下：

#ifndef NEW_FIFO
#define NEW_FIFO
#endif
#ifdef NEW_FIFO
#define AT91_NEW_FIFO_BASE 0x21d00000
#define num_base(a) (0x21d00000 (0x1000 * a))
/SDRAM最后1M空間的起始地址，我把它以0x1000Byte的大小劃分成256個(gè)FIFO/

#define SPI_NUM_FIFO 2

/SPI設(shè)備占用了一個(gè)FIFO,是第三個(gè)FIFO/
#define MAX_NUM_FIFO 256
#define READONLY 0
#define READEN 0x1
#define WRITONLY 0x2
#define WRITEN 0x4
typedef struct new_fifo{
int code,key;
int start,size;
int flags;
char data[4000]; /數(shù)據(jù)區(qū)/
int endflag;
} *at91_fifo;

static char * new_fifo_fun(int num,int flags,int code,int size)
{
at91_fifo fifo_p;
int num_addr;
char * data;
if(num > MAX_NUM_FIFO)
return -1;
num_addr = num_base(num);
/printk("the num_addr is %p n",num_addr);
fifo_p = (at91_fifo)ioremap(num_addr,(1024 * 4));
/ printk("the fifo_p is %pn",fifo_p);
fifo_p->code = code;
/ printk("the code addr is %pn",(fifo_p->code));
fifo_p->flags = flags;
fifo_p->size =size;
data = (fifo_p->data[0]);
/printk("the data addr is %pn",data);
return data;
}
#endif

在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，首先在注冊(cè)中斷服務(wù)程序之前，要調(diào)用new_fifo_fun函數(shù)，得到數(shù)據(jù)區(qū)首地址的指針。這個(gè)指針在這個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中可被設(shè)置成全程變量。然后在中斷服務(wù)程序中直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)。
比如說(shuō)，在文件頭部寫(xiě)：
static char * data;
然后在初始化文件中，注冊(cè)中斷之前加入：
data = new_fifo_fun(SPI_NUM_FIFO,WRITEN,0,100);
最后在中斷服務(wù)程序中加入：
for(i=0;i100;i )
*(data ) = i;
接下來(lái)，需要做的工作必須到用戶空間去做，我設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的進(jìn)程，就是讀取SPI的FIFO空間的數(shù)據(jù)，通過(guò)/dev/mem來(lái)讀取SDRAM高地址的數(shù)值，使用的是mmap函數(shù)，全文如下：
#include sys/types.h>
#include stdio.h>
#include sys/stat.h>
#include unistd.h>
#include sys/mman.h>
#include sys/fcntl.h>
#include dirent.h>
#include stdlib.h>
#include errno.h>
#include string.h>
#include assert.h>
#include getopt.h>


main()
{
int *mmaddr;
int i,fd;

fd=open("/dev/mem", O_RDWR);
mmaddr = (int *)mmap(0, 1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fd, 0x21d02000);
for(i=0;i10;i )
{printf("the mmaddr data is %pn",*(mmaddr ));
printf("%dn",i);

}
}
打印出來(lái)的結(jié)果是：
the mmaddr data is (nil)
0
the mmaddr data is 0xd24e92c2
1
the mmaddr data is 0xf01ab26d
2
the mmaddr data is 0x64
3
the mmaddr data is 0x4
4
the mmaddr data is 0x3020100
5
the mmaddr data is 0x7060504
6
the mmaddr data is 0xb0a0908
7
the mmaddr data is 0xf0e0d0c
8
the mmaddr data is 0x13121110
9
太好了，說(shuō)明我們數(shù)據(jù)讀寫(xiě)都成功拉。同樣的，如果要把用戶空間的數(shù)據(jù)寫(xiě)到內(nèi)核空間也是可以的。只不過(guò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)比較少有這樣的要求。如果這個(gè)時(shí)候，進(jìn)程在用戶空間監(jiān)視FIFO里的某幾個(gè)數(shù)值，當(dāng)這個(gè)數(shù)值變得符合要求的時(shí)候，進(jìn)程認(rèn)為中斷已經(jīng)發(fā)生，并可以讀取數(shù)據(jù)了。
但是，直接對(duì)共享內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)操作比通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用能夠增加多少的實(shí)時(shí)性呢？這個(gè)我沒(méi)有進(jìn)行精確的計(jì)算，但以前我做過(guò)一個(gè)試驗(yàn)：用2.4.14版本的linux，平臺(tái)以MPC823E（motorola的PPC）為CPU，主頻為50M，擴(kuò)展了一個(gè)語(yǔ)音壓縮調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的中斷線中斷頻率是幾乎1ms一次。使用系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果就是10個(gè)中斷的數(shù)據(jù)幾乎就被有沖掉3－4個(gè)，因?yàn)檎Z(yǔ)音的要求系統(tǒng)又不能開(kāi)更多的緩存，后來(lái)就使用了這篇文章里說(shuō)的這個(gè)方法，0.1ms級(jí)的中斷都扛住了。這對(duì)以后平臺(tái)上跑更多的進(jìn)程比較有保障。