嵌入式定制常用的實(shí)時(shí)Linux如何進(jìn)行改造

根據(jù)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)要求以及Linux的特點(diǎn)和性能分析，對標(biāo)準(zhǔn)Linux實(shí)時(shí)性的改造存在多種方法，較為合理的兩大類方法為：直接修改Linux內(nèi)核源代碼、雙內(nèi)核法。嵌入式定制

1.直接修改Linux內(nèi)核源代碼

對Linux內(nèi)核代碼進(jìn)行細(xì)微修改并不對內(nèi)核作大規(guī)模的變動，在遵循GPL協(xié)議的情況下，直接修改內(nèi)核源代碼將Linux改造成一個完全可搶占的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。核心修改面向局部，不會從根本上改變Linux內(nèi)核，并且一些改動還可以通過Linux的模塊加載來完成，即系統(tǒng)需要處理實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)加載該功能模塊，不需要時(shí)動態(tài)卸載該模塊。

目前kernel.org發(fā)布的主線內(nèi)核版本還不支持硬實(shí)時(shí)。為了開啟硬實(shí)時(shí)的功能，必須對代碼打補(bǔ)丁。實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁是多方努力的共同成果，目的是為了降低Linux內(nèi)核的延時(shí)。這個補(bǔ)丁有多位代碼貢獻(xiàn)者，目前由Ingo Molnar維護(hù)，補(bǔ)丁網(wǎng)址如下：www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/。

在配置已經(jīng)打過實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的內(nèi)核代碼時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁添加了第4種搶占模式，稱為PREEMPT_RT（實(shí)時(shí)搶占）。實(shí)時(shí)補(bǔ)丁在Linux內(nèi)核中添加了幾個重要特性，包括使用可搶占的互斥量來替代自旋鎖;除了使用preempt_disable（）保護(hù)的區(qū)域以外，內(nèi)核中的所有地方都開啟了非自愿式搶占（involuntary preemption）功能。這種模式能夠顯著降低抖動（延時(shí)的變化），并且使那些對延時(shí)要求很高的實(shí)時(shí)應(yīng)用具有可預(yù)測的較低延時(shí)。

這種方法存在的問題是：很難百分之百保證，在任何情況下，GPOS程序代碼絕不會阻礙RTOS的實(shí)時(shí)行為。也就是說，通過修改Linux內(nèi)核，難以保證實(shí)時(shí)進(jìn)程的執(zhí)行不會遭到非實(shí)時(shí)進(jìn)程所進(jìn)行的不可預(yù)測活動的干擾。

2. 雙內(nèi)核法

實(shí)際上，雙內(nèi)核的設(shè)計(jì)緣由在于，人們不相信標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核可以在任何情況下兌現(xiàn)它的實(shí)時(shí)承諾，因?yàn)镚POS內(nèi)核本身就很復(fù)雜，更多的程序代碼通常會導(dǎo)致更多的不確定性，這樣將無法符合可預(yù)測性的要求。更何況Linux內(nèi)核極快的發(fā)展速度，使其會在很短的時(shí)間內(nèi)帶來很大的變化，直接修改Linux內(nèi)核源代碼的方法將難以保持同步。

雙內(nèi)核法是在同一硬件平臺上采用兩個相互配合，共同工作的系統(tǒng)核心，通過在Linux系統(tǒng)的最底層增加一層實(shí)時(shí)核心來實(shí)現(xiàn)。其中的一個核心提供精確的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理，另一個核心提供復(fù)雜的非實(shí)時(shí)通用功能。

雙內(nèi)核方法的實(shí)質(zhì)是把標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核作為一個普通進(jìn)程在另一個內(nèi)核上運(yùn)行。關(guān)鍵的改造部分是在Linux和中斷控制器之間加一個中斷控制的仿真層，成為其實(shí)時(shí)內(nèi)核的一部分。該中斷仿真機(jī)制提供了一個標(biāo)志用來記錄Linux的關(guān)開中斷情況。一般只在修改核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵代碼時(shí)才關(guān)中斷，所以其中斷響應(yīng)很小。其優(yōu)點(diǎn)是可以做到硬實(shí)時(shí)，并且能很方便地實(shí)現(xiàn)一種新的調(diào)度策略。

為方便使用，實(shí)時(shí)內(nèi)核通常由一套可動態(tài)載入的模塊提供，也可以像編譯任何一般的子系統(tǒng)那樣在Linux源碼樹中直接編譯。常用的雙內(nèi)核法實(shí)時(shí)補(bǔ)丁有RTLinux/GPL、RTAI 和 Xenomai，其中RTLinux/GPL只允許以內(nèi)核模塊的形式提供實(shí)時(shí)應(yīng)用;而RTAI和Xenomai支持在具有MMU保護(hù)的用戶空間中執(zhí)行實(shí)時(shí)程序。下面，我們將對RTAI與Xenomai進(jìn)行分析。

圖1. RTAI（左）和Xenomai（右）實(shí)時(shí)內(nèi)核在Linux中的分層結(jié)構(gòu)

圖1所示為RTAI和Xenomai兩個實(shí)時(shí)內(nèi)核分別與標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核組成雙內(nèi)核系統(tǒng)是的分層結(jié)構(gòu)?？梢钥吹絻烧哂猩晕⒉煌慕M織形式，與Xenomai讓ADEOS掌控所有的中斷源不同的是，RTAI攔截它們，使用ADEOS將那些RTAI不感興趣的中斷通知送給Linux（也就是，中斷不影響實(shí)時(shí)時(shí)序）。這樣混合過程的目的是提高性能，因?yàn)樵谶@種情況下，如果中斷是要喚醒一個實(shí)時(shí)任務(wù)，就避免了由ADEOS管理中斷的開銷。從這里可以看出，RTAI的實(shí)時(shí)性能應(yīng)該是比Xenomai要好的。

RTAI（Real-Time Linux Application interface）雖然實(shí)時(shí)性能較好，但對ARM支持不夠，更新速度極慢，造成項(xiàng)目開發(fā)周期長，研發(fā)成本高。

與RTAI相比，Xenomai更加專注于用戶態(tài)下的實(shí)時(shí)性、提供多套與主流商業(yè)RTOS兼容的API以及對硬件的廣泛支持，在其之上構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)能保持較高實(shí)時(shí)性，而且穩(wěn)定性和兼容性更好;此外，Xenomai社區(qū)活躍，緊跟主流內(nèi)核更新，支持多種架構(gòu)，對ARM的支持很好。

Xenomai是Linux內(nèi)核的一個實(shí)時(shí)開發(fā)框架。它希望無縫地集成到Linux環(huán)境中來給用戶空間應(yīng)用程序提供全面的、與接口無關(guān)的硬實(shí)時(shí)性能。Xenomai是基于一個抽象實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)核心的，可以被用來在一個通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)調(diào)用的核心上，構(gòu)建任意多個不同的實(shí)時(shí)接口。Xenomai項(xiàng)目始于2001年8月。2003年它和RTAI項(xiàng)目合并推出了RTAI/fusion。

2005年，因?yàn)殚_發(fā)理念不同，RTAI/fusion項(xiàng)目又從RTAI中獨(dú)立出來作為Xenomai項(xiàng)目。相比之下，RTAI項(xiàng)目致力于技術(shù)上可行的最低延遲;Xenomai除此之外還很著重?cái)U(kuò)展性、可移植性以及可維護(hù)性。Xenomai項(xiàng)目將對Ingo Molnar的PREEMPT_PT實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁提供支持，這又是與RTAI項(xiàng)目的一個顯著的不同。RTAI和Xenomai都有開發(fā)者社區(qū)支持，都可以作為一個VxWorks的開源替代。

Xenomai是基于Adeos（Adaptive Domain Environment for Operating System）實(shí)現(xiàn)的，Adeos的目標(biāo)是為操作系統(tǒng)提供了一個靈活的、可擴(kuò)展的自適應(yīng)環(huán)境;在這個環(huán)境下，多個相同或不同的操作系統(tǒng)可以共存，共享硬件資源。基于Adeos的系統(tǒng)中，每個操作系統(tǒng)都在獨(dú)立的域內(nèi)運(yùn)行，每個域可以有獨(dú)立的地址空間和類似于進(jìn)程、虛擬內(nèi)存等的軟件抽象層，而且這些資源也可以由不同的域共享。與以往傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)共存方法不同，Adeos是在已有的操作系統(tǒng)下插入一個軟件層，通過向上層多個操作系統(tǒng)提供某些原語和機(jī)制實(shí)現(xiàn)硬件共享。應(yīng)用上主要是提供了一個用于“硬件-內(nèi)核”接口的納內(nèi)核（超微內(nèi)核），使基于Linux環(huán)境的系統(tǒng)能滿足硬實(shí)時(shí)的要求。

Xenomai正是充分利用了Adeos技術(shù)，它的首要目標(biāo)是幫助人們盡量平緩地移植那些依賴傳統(tǒng)RTOS的應(yīng)用程序到GNU/Linux環(huán)境，避免全部重寫應(yīng)用程序。它提供一個模擬器模擬傳統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的API，這樣就很容易移植應(yīng)用程序到GNU/Linux環(huán)境中，同時(shí)又能保持很好的實(shí)時(shí)性。Xenomai的核心技術(shù)就是使用一個實(shí)時(shí)微內(nèi)核來構(gòu)建這些實(shí)時(shí)API，也稱作“Skin”。Xenomai通過這種接口變種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了針對多種傳統(tǒng)RTOS的應(yīng)用編程接口，方便傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用程序向GNU/Linux的移植。圖2描述了Xenomai的這種帶Skin的分層架構(gòu)。

圖2. 帶Skin接口的Xenomai分層結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，Xenomai系統(tǒng)包含多個抽象層：Adeos納內(nèi)核直接工作在硬件之上;位于Adeos之上的是與處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer， HAL）;系統(tǒng)的中心部分是運(yùn)行在硬件抽象層之上的抽象的實(shí)時(shí)內(nèi)核，實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一系列通用RTOS的基本服務(wù)。

這些基本服務(wù)可以由Xenomai的本地API（Native）或由建立在實(shí)時(shí)內(nèi)核上的針對其他傳統(tǒng)RTOS的客戶API提供，如RTAI、POSIX、VxWorks、uITRON、pSOS+等。客戶API旨在兼容其所支持的傳統(tǒng)RTOS的應(yīng)用程序在Xenomai上的移植，使應(yīng)用程序在向Xenomai/Linux體系移植的過程中不需要完全重新改寫，此特性保證了Xenomai系統(tǒng)的穩(wěn)健性。Xenomai/Linux系統(tǒng)為用戶程序提供了用戶空間和內(nèi)核空間兩種模式，前者通過系統(tǒng)調(diào)用接口實(shí)現(xiàn)，后者通過實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)。用戶空間的執(zhí)行模式保證了系統(tǒng)的可靠性和良好的軟實(shí)時(shí)性，內(nèi)核空間程序則能提供優(yōu)秀的硬實(shí)時(shí)性。

來源：朗銳智科