如何區(qū)分xenomai、linux系統(tǒng)調(diào)用/服務(wù)

一、如何區(qū)分xenomai、linux系統(tǒng)調(diào)用/服務(wù)

1. 引出問題

上一篇文章xenomai內(nèi)核解析--雙核系統(tǒng)調(diào)用(一)以X86處理器為例，分析了xenomai內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用的流程，讀了以后可能會覺得缺了點什么，你可能會有以下疑問：

1. 系統(tǒng)中的兩個內(nèi)核都是POSIX接口實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，那么我們用POSIX接口寫了一個應(yīng)用程序，怎樣知道它調(diào)用的內(nèi)核，或者如何區(qū)分這個應(yīng)用是cobalt內(nèi)核的應(yīng)用，而不是普通linux應(yīng)用？

2. 對于同一個POSIX接口應(yīng)用程序，可能既需要xenomai內(nèi)核提供服務(wù)(xenomai 系統(tǒng)調(diào)用)，又需要調(diào)用linux內(nèi)核提供服務(wù)(linux內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用)，或者既有l(wèi)ibcobalt，又有g(shù)libc庫，他們是如何實現(xiàn)和區(qū)分的？

   

2. 編譯鏈接

對于問題1，答案是：由編譯的鏈接過程決定，鏈接的庫不同當然執(zhí)行的也就不同，如果普通編譯，則該應(yīng)用編譯后是一個普通linux運用。如果要編譯為xenomai應(yīng)用，則需要鏈接到xenomai庫。但是我們應(yīng)用程序調(diào)用的代碼函數(shù)symbol完全一樣，我們會有疑惑xenomai是如何貍貓換太子的？首先鏈接是通過符號表(symbol)來鏈接的，當然也就要從代碼符號（symbol）入手，首先來看一個常用的編譯xenomai 應(yīng)用的makefile：

XENO_CONFIG := /usr/xenomai/bin/xeno-config
PROJPATH = .
CFLAGS := $(shell $(XENO_CONFIG)   --posix --alchemy --cflags)LDFLAGS := $(shell $(XENO_CONFIG)  --posix --alchemy --ldflags)INCFLAGS= -I$(PROJPATH)/include/

EXECUTABLE := rt-app
src = $(wildcard ./*.c)obj = $(patsubst %.c, %.o, $(src))
all: $(EXECUTABLE)
$(EXECUTABLE): $(obj)        $(CC) -g -o $@ $^  $(INCFLAGS) $(CFLAGS) $(LDFLAGS)
%.o:%.c        $(CC) -g -o $@ -c $<  $(INCFLAGS) $(CFLAGS) $(LDFLAGS)
.PHONY: cleanclean:        rm -f $(EXECUTABLE) $(obj)

其中最重要的就是編譯時需要 xeno-config來生成gcc參數(shù)。xeno-config在我們編譯安裝xenomai庫后，默認放在 /usr/bin/xeno-config。

$ /usr/bin/xeno-config --helpxeno-config --verbose        --core=cobalt        --version="3.1"        --cc="gcc"        --ccld="/usr/bin/wrap-link.sh gcc"        --arch="x86"        --prefix="/usr"        --library-dir="/usr/lib"Usage xeno-config OPTIONSOptions :        --help        --v,--verbose        --version        --cc        --ccld        --arch        --prefix        --[skin=]posix|vxworks|psos|alchemy|rtdm|smokey|cobalt        --auto-init|auto-init-solib|no-auto-init        --mode-check|no-mode-check        --cflags        --ldflags        --lib*-dir|libdir|user-libdir        --core        --info        --compat

例如編譯一個POSIX接口的實時應(yīng)用,參數(shù) --cflags表示編譯，指定接口(skin) --posix,就能得到編譯該程序的gcc參數(shù)了，看著沒什么特別的：

$ /usr/bin/xeno-config --posix --cflags-I/usr/include/xenomai/cobalt-I/usr/include/xenomai-D_GNU_SOURCE-D_REENTRANT-fasynchronous-unwind-tables-D__COBALT__-D__COBALT_WRAP__

再看鏈接， --ldflags表示鏈接,如下得到鏈接參數(shù)：

$ /usr/bin/xeno-config --ldflags --posix-Wl,--no-as-needed-Wl,@/usr/lib/cobalt.wrappers-Wl,@/usr/lib/modechk.wrappers/usr/lib/xenomai/bootstrap.o-Wl,--wrap=main-Wl,--dynamic-list=/usr/lib/dynlist.ld-L/usr/lib-lcobalt-lmodechk-lpthread-lrt

這一看就多出不少東西，重點就在這 cobalt.wrappers、 modechk.wrappers,兩個文件的內(nèi)容如下：

...--wrap open--wrap open64--wrap socket--wrap close--wrap ioctl--wrap read....--wrap recv--wrap send--wrap getsockopt--wrap setsockop...

里面是一些posix系統(tǒng)調(diào)用，前面的 --wrap是什么作用？這是執(zhí)行鏈接過程的程序 ld的一個參數(shù)，通過 man ld可以找到該參數(shù)的說明：

--wrap symbol           Use a wrapper function for symbol.  Any undefined reference to symbol will be resolved to "__wrap_symbol".  Any undefined reference to "__real_symbol" will be resolved to symbol.
           This can be used to provide a wrapper for a system function.  The wrapper function should be called "__wrap_symbol".  If it wishes to call the system function, it should call "__real_symbol".
           Here is a trivial example:
                   void *                   __wrap_malloc (size_t c)                   {                     printf ("malloc called with %zu
", c);                     return __real_malloc (c);                   }
           If you link other code with this file using --wrap malloc, then all calls to "malloc" will call the function "__wrap_malloc" instead.  The call to "__real_malloc" in "__wrap_malloc" will call the real "malloc"           function.
           You may wish to provide a "__real_malloc" function as well, so that links without the --wrap option will succeed.  If you do this, you should not put the definition of "__real_malloc" in the same file as           "__wrap_malloc"; if you do, the assembler may resolve the call before the linker has a chance to wrap it to "malloc".

簡單來說就是：任何 對 symbol未定義 的 引用 (undefined reference) 將 解析為 __wrap_symbol. 任何 對 __real_symbol未定義 的 引用 將 解析為 symbol。意思就是我們代碼里使用到且是參數(shù) --wrap指定的符號 symbol(即文件里的內(nèi)容)，鏈接的時候就認為它是 __wrap_symbol,比如我們代碼用到了 open()在鏈接的時候是與庫中的 __wrap_open()鏈接的, __wrap_open就是在xenomai 實時庫libcobalt中實現(xiàn)，現(xiàn)在我們明白我們的posix函數(shù)如何和xenomai對接上了。

對于 xeno-config的其他更多參數(shù)可通過xenomai Manual Page了解。

這樣就將POSIX接口源碼編譯成一個xenomai可執(zhí)行程序了。

我們還有另一個問題，既然鏈接到了libcobalt，但我們是要Linux來提供服務(wù)，又是怎么讓Linux來提供服務(wù)的呢？看libcobalt具體實現(xiàn)可以知道答案。

3. libcobalt中的實現(xiàn)

下面來看問題2，既然我們已將一個接口鏈接到實時內(nèi)核庫libcobalt，當然由實時內(nèi)核庫libcobalt來區(qū)分該發(fā)起linux內(nèi)核調(diào)用還是xenomai內(nèi)核系統(tǒng)。與上一篇文章一樣，以一個POSIX接口 pthread_cretate()來解析libcobalt中的實現(xiàn)。

xenomai線程的創(chuàng)建流程比較復(fù)雜，需要先讓linux創(chuàng)建普通線程，然后再由xenomai創(chuàng)建該線程的shadow 線程，即xenomai調(diào)度的實時線程，很符合我們上面的提出的問題2。說到這先簡答介紹一下xenomai實時線程的創(chuàng)建，詳細的創(chuàng)建流程后面會寫專門寫一篇文章解析，敬請期待。

pthread_cretate()不是一個系統(tǒng)調(diào)用，由NPTL（Native POSIX Threads Library）實現(xiàn)（NPTL是Linux 線程實現(xiàn)的現(xiàn)代版，由UlrichDrepper 和Ingo Molnar 開發(fā)，以取代LinuxThreads），NPTL負責(zé)一個用戶線程的用戶空間棧創(chuàng)建、內(nèi)存分配、初始化等工作，與linux內(nèi)核配合完成線程的創(chuàng)建。每一線程映射一個單獨的內(nèi)核調(diào)度實體（KSE，Kernel Scheduling Entity）。內(nèi)核分別對每個線程做調(diào)度處理。線程同步操作通過內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)。

xenomai coblat作為實時任務(wù)的調(diào)度器，每個實時線程需要對應(yīng)到 coblat調(diào)度實體，如果要創(chuàng)建實時線程就需要像linux那樣NPTL與linux 內(nèi)核深度結(jié)合，那么coblat與libcoblat實現(xiàn)將會變得很復(fù)雜。在這里，xenomai使用了一種方式，由NPTL方式去完成實時線程實體的創(chuàng)建（linux部分），在普通線程的基礎(chǔ)上附加一些屬性，對應(yīng)到xenomai cobalt內(nèi)核實體時能被實時內(nèi)核cobalt調(diào)度。

所以libcoblat庫中的實時線程創(chuàng)建函數(shù) pthread_cretate最后還是需要使用 glibc的 pthread_cretate函數(shù)，xenomai只是去擴展glibc pthread_cretate創(chuàng)建的線程，使這個線程可以在實時內(nèi)核cobalt調(diào)度。

pthread_cretate()在libcobalt中pthread.h文件中定義如下：

COBALT_DECL(int, pthread_create(pthread_t *ptid_r,        const pthread_attr_t *attr,        void *(*start) (void *),        void *arg));

COBALT_DECL宏在 wrappers.h中如下,展開上面宏，會為 pthread_create()生成三個類型函數(shù)：

#define __WRAP(call)    __wrap_ ## call#define __STD(call)    __real_ ## call#define __COBALT(call)    __cobalt_ ## call#define __RT(call)    __COBALT(call)#define COBALT_DECL(T, P)    __typeof__(T) __RT(P);    __typeof__(T) __STD(P);   __typeof__(T) __WRAP(P)  int __cobalt_pthread_create(pthread_t *ptid_r,        const pthread_attr_t *attr,        void *(*start) (void *),        void *arg);int __wrap_pthread_create(pthread_t *ptid_r,        const pthread_attr_t *attr,        void *(*start) (void *),        void *arg);int __real_pthread_create(pthread_t *ptid_r,        const pthread_attr_t *attr,        void *(*start) (void *),        void *arg);

聲明 pthread_create()函數(shù)的這三個宏意思為:

__RT(P):__cobalt_pthread_create明確表示Cobalt實現(xiàn)的POSIX函數(shù)

__COBALT(P)：與__RT()等效。

__STD(P):__real_pthread_create表示這是原始的POSIX函數(shù)（Linux glibc實現(xiàn))，cobalt庫內(nèi)部通過它來表示調(diào)用原始的POSIX函數(shù)(glibc NPTL).

__WRAP(P)：__wrap_pthread_create是__cobalt_pthread_create的弱別名，如果編譯器編譯時知道有該函數(shù)其它的實現(xiàn)，該函數(shù)就會被覆蓋。

主要關(guān)注前面兩個，對于最后一個宏，如果外部庫想覆蓋已有的函數(shù)，應(yīng)提供其自己的 __wrap_pthread_create()實現(xiàn)，來覆蓋Cobalt實現(xiàn)的 pthread_create()版本。原始的Cobalt實現(xiàn)仍可以引用為 __COBALT(pthread_create)。由宏COBALT_IMPL來定義：

#define COBALT_IMPL(T, I, A)                \__typeof__(T) __wrap_ ## I A __attribute__((alias("__cobalt_" __stringify(I)), weak));  \__typeof__(T) __cobalt_ ## I A

最后cobalt庫函數(shù) pthread_create實現(xiàn)主體為

COBALT_IMPL(int, pthread_create, (pthread_t *ptid_r,          const pthread_attr_t *attr,          void *(*start) (void *), void *arg)){  pthread_attr_ex_t attr_ex;  ......  return pthread_create_ex(ptid_r, &attr_ex, start, arg);}

COBALT_IMPL定義了 __cobalt_pthread_create函數(shù)及該函數(shù)的一個弱別名 __wrap_pthread_create,調(diào)用這兩個函數(shù)執(zhí)行的是同一個函數(shù)體。

對于 NPTL函數(shù) pthread_create,在Cobalt庫里使用 __STD()修飾，展開后即 __real_pthread_create()，其實只是NPTL pthread_create()的封裝， __real_pthread_create()會直接調(diào)用 NPTL pthread_create,在libcobaltwrappers.c實現(xiàn)如下：

/* pthread */__weakint __real_pthread_create(pthread_t *ptid_r,        const pthread_attr_t * attr,        void *(*start) (void *), void *arg){  return pthread_create(ptid_r, attr, start, arg);}

它調(diào)用的就是glibc中的 pthread_create函數(shù).同樣我們接著 __cobalt_pthread_create()看哪里調(diào)用的.

int pthread_create_ex(pthread_t *ptid_r,          const pthread_attr_ex_t *attr_ex,          void *(*start) (void *), void *arg){  ......  __STD(sem_init(&iargs.sync, 0, 0));
  ret = __STD(pthread_create(&lptid, &attr, cobalt_thread_trampoline, &iargs));/*__STD 調(diào)用標準庫的函數(shù)*/  if (ret) {    __STD(sem_destroy(&iargs.sync));    return ret;  }
  __STD(clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timeout));    .....}

下面再看另一個例子，實時任務(wù)在代碼中使用了linux的網(wǎng)絡(luò)套接字（xenomai任務(wù)也是一個linux任務(wù)，也可以使用linux來提供服務(wù)，只不過會影響實時性），有以下代碼，：

....    int sockfd,ret;                                                struct sockaddr_in addr;                               sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);            .....    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr_in));        ....

該代碼編譯時鏈接到了libcobalt，socket()函數(shù)即libcobalt中的 __cobalt_socket()，其定義在xenomai- 3.x.xlibcobalt tdm.c,如下：

COBALT_IMPL(int, socket, (int protocol_family, int socket_type, int protocol)){  int s;  s = XENOMAI_SYSCALL3(sc_cobalt_socket, protocol_family,           socket_type, protocol);  if (s < 0) {    s = __STD(socket(protocol_family, socket_type, protocol));  }  return s;}

可以看到，libcobalt中的函數(shù)會先嘗試調(diào)用實時內(nèi)核cobalt的系統(tǒng)調(diào)用， 當cobalt系統(tǒng)調(diào)用不成功的時候才繼續(xù)嘗試通過 __STD()宏來調(diào)用linux系統(tǒng)調(diào)用（cobalt內(nèi)核根據(jù)socket協(xié)議類型參數(shù) PF_INET, SOCK_STREAM判斷），這樣就有效的分清了是linux系統(tǒng)調(diào)用還是xenomai系統(tǒng)調(diào)用，這也是所有l(wèi)ibcobalt實現(xiàn)的posix都鏈接到libobalt庫的原因。

一般情況下，可以直接在代碼中使用 __STD()宏指明我們調(diào)用的linux內(nèi)核的服務(wù),修改如下：

....    int sockfd,ret;                                                struct sockaddr_in addr;                               sockfd = __STD(socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0));            .....     __STD(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr_in)));....

現(xiàn)在一切都明了了，一個函數(shù)編譯時通過參數(shù)鏈接到xenomai庫后，通過 __STD()宏來表示使用linux接口。

4. 總結(jié)

• 在實時程序或?qū)崟r庫libcobalt中，通過__STD()宏來表示使用linux接口。

• 對于一個未指明的接口，libcobalt會先嘗試發(fā)起xenomai系統(tǒng)調(diào)用，不成功會接著嘗試linux內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用或者調(diào)用glibc函數(shù)。

• 如果我們向libcobalt庫中新添加一個libcobalt庫中沒有的自定義POSIX函數(shù)/系統(tǒng)調(diào)用時，一定要在內(nèi)部先嘗試發(fā)起xenomai系統(tǒng)調(diào)用，不成功時接著嘗試linux內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用，此外還必須將該接口添加到文件xenomailibcobaltcobalt.wrappers中，這樣才能正確鏈接，否則編譯后的應(yīng)用還是原來的。

二、 如何為xenomai添加一個系統(tǒng)調(diào)用

1. 添加系統(tǒng)調(diào)用

有的時候我們需要給系統(tǒng)添加一個特殊功能的系統(tǒng)調(diào)用，比如我們在對xenomai做benchmark測試的時候，需要測試每個系統(tǒng)服務(wù)操作系統(tǒng)需要消耗多長時間，比如測量獲取信號量操作系統(tǒng)的耗時。我們知道中斷優(yōu)先級最高，會強占前臺的操作系統(tǒng)和應(yīng)用，為了更準確的測量獲取信號量時操作系統(tǒng)的耗時，這里需要將這種情況下的結(jié)果丟棄，我們就需要一個獲取xenomai中斷次數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用。

假設(shè)該系統(tǒng)沒有任何實時驅(qū)動運行，且設(shè)置了xenomai.supportedcpus和linux irqaffinity，supportedcpus啟用tickless，下面給xenomai添加一個系統(tǒng)調(diào)用 get_timer_hits()，用于獲取應(yīng)用程序運行CPU的定時器中斷產(chǎn)生的次數(shù)（類似于VxWorks里的tickGet()，VxWorks是采用周期tick的方式來驅(qū)動系統(tǒng)運作，tickGet()獲取的也就是tick定時器中斷的次數(shù))。以該系統(tǒng)調(diào)用來舉例如何為xenomai添加一個實時系統(tǒng)調(diào)用。

在前兩篇文中說到，xenomai每個系統(tǒng)的系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用號在 cobaltuapisyscall.h中：

#definesc_cobalt_bind0#definesc_cobalt_thread_create1#definesc_cobalt_thread_getpid2......#definesc_cobalt_extend96

在此添加 sc_cobalt_get_timer_hits的系統(tǒng),為了避免與xenomai系統(tǒng)調(diào)用沖突（xenomai官方添加的系統(tǒng)調(diào)用號從小到大），那我們就從最后一個系統(tǒng)調(diào)用添加，即127號系統(tǒng)調(diào)用，如下。

#definesc_cobalt_bind0#definesc_cobalt_thread_create1#definesc_cobalt_thread_getpid2......#definesc_cobalt_extend96#definesc_cobalt_ftrace_puts97#definesc_cobalt_recvmmsg98#definesc_cobalt_sendmmsg99#definesc_cobalt_clock_adjtime100#definesc_cobalt_thread_setschedprio101#definesc_cobalt_get_timer_hits127#define__NR_COBALT_SYSCALLS128/*Powerof2*/

先確定一下我們這個函數(shù)的API形式，由于是一個非標準的形式，這里表示如下：

int get_timer_hits(unsigned long *u_tick);

參數(shù)為保存hits的變量地址；

返回值：成功0；出錯 <0;

系統(tǒng)調(diào)用的頭文件，然后添加一個系統(tǒng)調(diào)用的聲明,覺得它和clock相關(guān)，那就放在 kernelxenomaiposixclock.h中吧。

#includeCOBALT_SYSCALL_DECL(get_timer_hits,(unsignedlong__user*u_tick));

然后是該函數(shù)的內(nèi)核實現(xiàn)，放在 /kernelxenomaiposixclock.c，如下：

COBALT_SYSCALL(get_timer_hits,primary,(unsignedlong__user*u_tick)){structxnthread*thread;  unsignedlongtick; intcpu; intret=0;    unsignedintirq;thread=xnthread_current();if(thread==NULL)    return-EPERM;/*得到當前任務(wù)CPU號*/cpu=xnsched_cpu(thread->sched);irq=per_cpu(ipipe_percpu.hrtimer_irq,cpu);/*讀取該CPU中斷計數(shù)*/tick=__ipipe_cpudata_irq_hits(&xnsched_realtime_domain,cpu,irq); if(cobalt_copy_to_user(u_tick,&tick,sizeof(tick))) return-EFAULT;returnret;}

需要注意的是該系統(tǒng)調(diào)用的權(quán)限，這里使用 primary,表示只有cobalt上下文（實時線程）才能調(diào)用。

修改完成后重新編譯內(nèi)核并安裝。

2.Cobalt庫添加接口

在前兩篇文中說到，xenomai系統(tǒng)調(diào)用由libcobalt發(fā)起，所以修改應(yīng)用庫來添加該函數(shù)接口，添加聲明 includecobalt ime.h：

COBALT_DECL(int,get_timer_hits(unsignedlongtick));

xenomai3.x.xlibcobaltclock.c添加該接口定義：

COBALT_IMPL(int,get_timer_hits,(unsignedlong*tick)){intret;ret=-XENOMAI_SYSCALL1(sc_cobalt_get_tick,tick);returnret;}

因為該系統(tǒng)調(diào)用和posix接口沒有符號重名，不需要修改wrappers文件，完成上述步驟后重新編譯并安裝xenomai庫。

3. 應(yīng)用使用

由于我們添加 get_timer_hits()系統(tǒng)調(diào)用時,指定了系統(tǒng)調(diào)用的權(quán)限為primary，這里創(chuàng)建一個實時任務(wù),使用宏 __RT()指定鏈接到libcobalt庫。

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include 
#define PRIO 50
void test(void *cookie){  unsigned long tick;  int ret;  ret  = __RT(get_timer_hits(&tick));  if (ret){    fprintf(stderr,      "%s: failed to get_tick,%s
",      __func__,strerror(-ret));    return ret;  }      fprintf(stdout,"timer_hits:%ld
",tick);    /*....*/  return 0;}
int main(int argc, char *const *argv){    struct sigaction sa __attribute__((unused));  int sig, cpu = 0;  char sem_name[16];  sigset_t mask;  RT_TASK task;    int ret;        sigemptyset(&mask);  sigaddset(&mask, SIGINT);  sigaddset(&mask, SIGTERM);  sigaddset(&mask, SIGHUP);  sigaddset(&mask, SIGALRM);  pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);  setlinebuf(stdout);      ret = rt_task_spawn(&task, "test_task", 0, PRIO,             T_JOINABLE, test, NULL);  if (ret){    fprintf(stderr,      "%s: failed to create task,%s
",      __func__,strerror(-ret));    return ret;  }        __STD(sigwait(&mask, &sig));    rt_task_join(&task);    rt_task_delete(&task);        return 0;}

編譯Makefile：

XENO_CONFIG := /usr/xenomai/bin/xeno-config
PROJPATH = .
CFLAGS := $(shell $(XENO_CONFIG)   --posix --alchemy --cflags)LDFLAGS := $(shell $(XENO_CONFIG)  --posix --alchemy --ldflags)INCFLAGS= -I$(PROJPATH)/include/

EXECUTABLE := get-timer-hits
src = $(wildcard ./*.c)obj = $(patsubst %.c, %.o, $(src))
all: $(EXECUTABLE)
$(EXECUTABLE): $(obj)        $(CC) -g -o $@ $^  $(INCFLAGS) $(CFLAGS) $(LDFLAGS)
%.o:%.c        $(CC) -g -o $@ -c $<  $(INCFLAGS) $(CFLAGS) $(LDFLAGS)
.PHONY: cleanclean:        rm -f $(EXECUTABLE) $(obj)

運行結(jié)果:

$./get-timer-hitstimer_hits:3

可以看到，雖然系統(tǒng)已經(jīng)啟動十幾分鐘了，但一直沒有運行xenomai應(yīng)用，xenomai tick相關(guān)中斷才產(chǎn)生了3次，這就是tickless，后面會出xenomai調(diào)度及時間子系統(tǒng)和xenomai benchmark相關(guān)文章，敬請關(guān)注。