RTlinux

RTLinux是由美國新墨西哥州的fsmlabs(finite state machine labs, 有限狀態機實驗室)公司開發的、利用linux開發的面向實時和嵌入式應用的操作系統。在rtlinux宣言中，這樣描述rtlinux ： rtlinux is the hard realtime variant of linux that makes it possible to control robots, data acquisition systems, manufacturing plants, and other time-sensitive instruments and machines。

RT-Linux已經成功地應用於航天飛機的空間數據採集、科學儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛領域，在電信、工業自動化和航空航天等實時領域也有成熟應用。隨着信息技術的飛速發展，實時系統已經滲透到日常生活的各個層面，包括傳統的數控領域、軍事、製造業和通信業，甚至連潛力巨大的信息家電、媒體廣播系統和數字影像設備都對實時性提出了愈來愈高的要求。

RT-Linux開發者並沒有針對實時操作系統的特性而重寫Linux的內核，因為這樣做的工作量非常大，而且要保證兼容性也非常困難。將linux的內核代碼做一些修改，將linux本身的任務以及linux內核本身作為一個優先級很低的任務，而實時任務作為優先級最高的任務。即在實時任務存在的情況下運行實時任務，否則才運行linux本身的任務。RT-Linux能夠創建精確運行的符合POSIX.1b標準的實時進程；並且作為一種遵循GPL v2協議的開放軟件，可以達GPL v2協議許可範圍內自由地、免費地使用、修改和再發生。

它是Linux在實時性方面的擴展，採用已獲得專利的雙核技術:一個微型的RTLinux內核把原始的Linux內核作為它在空閒時的一個線程來運行。這開啓了在兩個不同的內核層面上――實時的RTLinux內核和常用的，非實時的Linux內核――運行不同程序的新方式。原始的Linux內核通過RTLinux內核訪問硬件。這樣，所有硬件實際上都是由RTLinux來進行管理的。有兩種不同的RTLinux版本：RTLinux/Free(或者RTLinux/Open)和RTLinux/Pro. RTLinux/Pro是一個由FSMLabs開發的完全商業版本的實時linux。RTLinux/Free是一個由社區開發的開源版本。

現有的Linux是一個通用的操作系統，雖然它採用了許多技術來提高系統的運行和反應速度，但它本質上不是一個實時操作系統，應用於嵌入式環境中還存在諸多的不足。具體表現如下：

在系統調用中，為了保護臨界區資源，Linux處於內核臨界區時，中斷會被系統屏蔽，這就意味着如果當前進程正處於臨界區，即使它的優先級較低，也會延遲高優先級的中斷請求。在實時應用中，這是一個十分嚴重的問題。

Linux採用標準的UNIX技術使得內核是不可搶佔的。採用基於固定時間片的可變優先級調度，不論進程的優先級多麼低，Linux總會在某個時候分給該進程一個時間片運行，即使同時有可以運行的高優先級進程，它也必須等待低優先級進程的時間片用完，這對一些要求高優先級進程立即搶佔CPU的實時應用是不能滿足要求的。

Linux為了提高系統的平均吞吐率，將時鐘中斷的最小間隔設置為10ms，這對於一個週期性的實時任務，間隔要求小於10ms時，就不能滿足實時任務的需要。如果要把時鐘 的間隔改小以滿足週期性的實時任務的需要，由於Linux的進程切換比較費時，時鐘中斷越頻繁，而花在中斷處理上的時間就越多,系統的大部分時間是調用進程調度程序進行進程調度而不能進行正常的處理。

在Linux 操作系統中，調度算法（基於最大吞吐量準則）、設備驅動、不可中斷的系統調用、中斷屏蔽以及虛擬內存的使用等因素，都會導致系統在時間上的不可預測性，決定了Linux操作系統不能處理硬實時任務。RTLinux為避免這些問題，在Linux內核與硬件之間增加了一個虛擬層（通常稱作虛擬機），構築了一個小的、時間上可預測的、與Linux內核分開的實時內核，使得在其中運行的實時進程滿足硬實時性。並且RTLinux和Linux構成一個完備的整體，能夠完成既包括實時部分又包括非實時部分的複雜任務。

RT-Linux對Linux內核進行改造，將Linux內核工作環境做了一些變化，如圖1所示：

RTLinux有兩種中斷：硬中斷和軟中斷。軟中斷是常規Linux內核中斷。它的優點在於可無限制地使用Linux內核調用。硬中斷是安裝實時Linux的前提。依賴於不同的系統，實時Linux下硬中斷的延遲是15μs。

RTLinux的體系結構如圖2所示。RTLinux的設計思想是:應用硬件的實時約束將實時程序分割成短小簡單的部分,較大部分承擔較複雜的任務。根據這一原則,將應用程序分為硬實時和軟實時（即程序）2個部分。

圖3所示的是RTFIFO結構圖。RTLinux將標準Linux內核作為簡單實時操作系統（RTOS）（或叫子內核）裏優先權最低的線程來運行，從而避開了Linux內核性能的問題。 從圖3可以看出，RTLinux擁有兩個內核。這就意味着有兩組單獨的API，一個用於Linux環境，另一個用於實時環境。此外，為保證實時進程與非實時Linux進程不順序進行數據交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊列。RT-FIFO被Linux視為字符設備，最多可達150個，分別命名為/dev/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最大的RT-FIFO數量在系統內核編譯時設定。

RTLinux程序運行於用户空間和內核態兩個空間。RTLinux提供了應用程序接口。藉助這些API函數將實時處理部分編寫成內核模塊，並裝載到RTLinux內核中，運行於RTLinux的內核態。非實時部分的應用程序則在Linux下的用户空間中執行。這樣可以發揮Linux對網絡和數據庫的強大支持功能。

RTLinux通過一個高效的、可搶先的實時調度核心來全面接管中斷，並把Linux作為此實時核心的一個優先級最低的進程運行。當有實時任務需要處理時，RTLinux運行實時任務；無實時任務時，RTLinux運行Linux的非實時進程。其系統結構見圖4。

RTLinux在默認的情況下采用優先級的調度策略，即系統調度器根據各個實時任務的優先級來確定執行的先後次序。優先級高的先執行，優先級低的後執行，這樣就保證了實時進程的迅速調度。同時RTLinux也支持其它的調度策略，如最短時限最先調度（EDP）、確定週期調度（RM）（週期段的實時任務具有高的優先級）。RTLinux將任務調度器本身設計成一個可裝載的內核模塊，用户可以根據自己的實際需要，編寫適合自己的調度算法。

對於一個操作系統而言，精確的定時機制雖然可以提高任務調度器的效率，但會增加CPU處理定時中斷的時間開銷。RTLinux對時間精度和時鐘中斷處理的時間開銷進行了折中考慮。不是像Linux那樣將8254定時器設計成10ms產生一次定時中斷的固定模式，而是將定時器芯片設置為終端計時中斷方式。根據最近的進程的時間需要，不斷調整定時器的定時間隔。這樣不僅可以獲得高定時精度，同時中斷處理的開銷又最小。

RTLinux提供了一整套對硬實時進程的支持函數集。在此，對在嵌入式系統中的實現加以闡述。

在中斷控制硬件與LINUX核心之間放置一個軟件仿真層。具體做法是，在LINUX源碼中出現cli、sti和iret的所有地方都用仿真宏：S_CLI、S_STI和S_IRET來替換。所有的硬件中斷就都被仿真器所截獲。

當需要關中斷時，就將仿真器中的一個變量置0。不論何時若有中斷髮生，仿真器就檢查這個變量。如果是1（LINUX已開中斷），就立即調用LINUX的中斷處理程序；否則，LINUX中斷被禁止，中斷處理程序不會被調用，而是在保存着所有掛起中斷的信息的變量的相應位置1。當LINUX重新開中斷，所有掛起中斷的處理程序都會被執行。這種仿真方式可以稱之為"軟中斷"。

實時任務是在一個由核心控制的調度程序的調度下執行的用户定義的程序。

RT-LINUX最初將實時任務設計成ELF格式的目標文件。這一設計方案的最大缺點就是性能比較差。原因在於，第一，486的緩存是虛擬的。所以每當頁表目錄的基址寄存器改變時，TLB（轉換後備緩衝器）就會失效。由於實時任務的上下文轉換頻繁，所以TLB的頻繁失效就導致系統性能的嚴重下降。第二，486的保護級別變換耗時不少。比如，陷入更高級別時需要71個循環，而其它指令一般少於10個循環。

解決的辦法就是使用可加載模組技術，所有的實時任務都同處於一個地址空間-內核地址空間，不僅避免了頻繁的TLB失效，同時也消除了變換保護級別的消耗，而且任務轉換也變得相當容易。

實時系統的進程調度的主要任務就是滿足實時任務在時間上的要求。調度算法的種類很多，沒有一個策略是放之四海而皆準的，因此採用哪種算法要取決於具體應用。

RT-LINUX採用的方法是允許用户編寫自己的調度程序，並可以編譯成模組的形式。這樣就可以方便地試驗不同的策略和算法對於某一特定應用的適合性，從中選出最優。

RT-LINUX自帶的是一個基於優先數的搶佔式調度程序。此調度程序將LINUX當作具有最低優先數的實時任務。因此，LINUX只在實時系統無任何實時任務是才運行。在從LINUX切換到實時任務時，系統記下軟中斷的狀態並禁止軟中斷。在切換回來實，再恢復軟中斷的狀態。

調度程序需要精確的時鐘才能準確操作。調度通常是在特定的時刻進行任務切換。時鐘的偏差會引起預定調度的偏差，導致產生被稱為任務發佈抖動的現象。這是一種應該儘量避免的不良現象。

RT-LINUX的解決辦法是，將IBM PC兼容機中的時鐘芯片Intel 8254設置為中斷開啓終端計數模式。在這種模式下，精度可以達到1毫秒。這樣在降低中斷處理的影響的同時，獲得了較高的時鐘精度。

由於標準LINUX核心可以被實時任務在任意時刻搶佔，所以實時任務無法安全地調用LINUX的程序。但是總要有一個信息交換的機制。

在RT-LINUX中所用的信息交換方式是RT-FIFO（實時隊列）。它與UNIX的管道非常相似，都是一個無結構的數據流。通過RT-FIFO，LINUX的進程之間，實時進程之間，以及LINUX的核心與實時進程之間可以交換信息。

對於一個普通的進程來説，RT-FIFO就是一個特殊的字符文件。這些文件必須自建：

# for i in 0 1 2 3; do mknod /dev/rtf$i c 63 $i; done

RTLinux通過硬件和操作系統間的中斷控制來支持硬實時（確定性）操作。進行確定性處理所需要的中斷由實時核心加工，其他中斷被送往非實時操作系統。操作系統運行為低優先級線程。先進先出管道（FIFOs）或共享內存可以被用來在操作系統和實時核心之間共享數據。RTlinux是源代碼開放的具有硬實時特性的多任務操作系統,它是通過底層對Linux實施改造的產物。通過在L inux內核與硬件中斷之間增加一個精巧的可搶先的實時內核,把標準的Linux內核作為實時內核的一個進程與用户進程一起調度,標準的Linux內核的優先級最低,可以被實時進程搶斷。正常的Linux進程仍可以在Linux內核上運行,這樣既可以使用標準分時操作系統即Linux的各種服務, 又能提供低延時的實時環境 。

RTLinux是美國新墨西哥州大學計算機科學系VictorYodaiken和Micae Brannanov開發的。它在Linux內核的下層實現了一個簡單的實時內核,而Linux本身作為這個實時內核的優先級最低的任務,所有的實時任務的優先級都高於Linux系統本身的以及Linux系統下的一般任務。RTLinux的體系結構如圖5所示。

將應用程序分為硬實時和程序2個部分。硬件實時部分被作為實時任務來執行,並從外部設備拷貝數據到一個叫做實時有名管道(RTFIFO)的特殊I/O端口;程序主要部分作為標準Linux進程來執行。它將從RTFIFO中讀取數據,然後顯示並存儲到文件中,實時部分將被寫入內核。設計實時有名管道是為了使實時任務在讀和寫數據時不被阻塞。

RTLinux通過對標準Linux內核進行改造,將Linux內核工作環境作了一些變化。在Linux進程和硬件中斷之間,本來由Linux內核完全控制,在Linux內核和硬件中斷的地方加上了一個RTLinux內核的控制。Linux的控制信號都要先交給RTLinux內核進行處理。在RTLinux內核中實現了一個虛擬中斷機制,Linux本身永遠不能屏蔽中斷,它發出的中斷屏蔽信號和打開中斷信號都修改成向RTLinux發送一個信號。如在Linux裏面使用“SI”和“CLI”宏指令,讓RTLinux裏面的某些標記做了修改。也就是説將所有的中斷分成Linux中斷和實時中斷兩類。如果RTLinux內核接收到的中斷信號是普通Linux中斷,那就設置一個標誌位;如果是實時中斷,就繼續向硬件發出中斷。在RTLinux中執行STI將中斷打開之後,那些設置了標誌位表示的Linux中斷就繼續執行,因此,CLI並不能禁止RTLinux內核的運行,卻可以用來中斷Linux。Linux不能中斷自己,而RTLinux可以。

這裏體現了RTLinux設計過程中的原則:在實時模塊中的工作量儘量少,如果能在Linux中完成而不影響實時性能的話,就儘量在Linux中完成,因此,RTLinux內核可以儘量做得簡單。在RTLinux內核中,不應該等待資源,也不需要使用共享旋轉鎖。實時任務和Linux進程之間的通信也是非阻塞的,從來不用等待進隊列和出隊列的數據。RTLinux將系統和設備的初始化交給了Linux 完成,對動態資源的申請和分配也交給了Linux。

RTLinux使用靜態分配的內存來完成硬件實時任務,因為在沒有內存資源的時候,被阻塞的線程是不可能具有實時能力的。