uClinux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)化分析與研究
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1.引言
嵌入式Linux作為一個(gè)開放源代碼的操作系統(tǒng)，以價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大又易于移植的特性正在被廣泛應(yīng)用，μClinux是專門針對沒有 MMU（Memory Manage Unit）的處理器而設(shè)計(jì)的嵌入式Linux，非常適合中低端嵌入式系統(tǒng)的需求。μClinux雖然符合POSIX1003.1B關(guān)于實(shí)時(shí)擴(kuò)展部分的標(biāo)準(zhǔn)，但其最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)為通用分時(shí)操作系統(tǒng)，如果把μClinux用在工業(yè)控制、進(jìn)程控制等微控制領(lǐng)域內(nèi)，必須要增強(qiáng)μClinux的實(shí)時(shí)性能。
目前，對嵌入式Linux的實(shí)時(shí)化改造方案主要有3種：一種是直接修改內(nèi)核插入搶占點(diǎn)[3]，另外一種是資源內(nèi)核方法[4]，最后一種是雙內(nèi)核架構(gòu)的解決方案。但3種方法中前兩種都只能用于軟實(shí)時(shí)應(yīng)用，只有雙內(nèi)核[2]架構(gòu)的方案可以保障硬實(shí)時(shí)應(yīng)用需求。目前，Linux平臺(tái)下開發(fā)的具有硬實(shí)時(shí)功能的系統(tǒng)主要有：RTLinux和RTAI[1]（Real Time Application Interface）?；?a class="contentlabel" href="http://www.biyoush.com/news/listbylabel/label/RTAI">RTAI增強(qiáng)Linux的實(shí)時(shí)性方面研究得比較多，但是，基于RTAI增強(qiáng)μClinux實(shí)時(shí)性方面還未見到成型的產(chǎn)品。因此，本文借鑒RTAI對Linux的實(shí)時(shí)改進(jìn)機(jī)理，對μClinux的實(shí)時(shí)性改造進(jìn)行了分析與研究。
2. μClinux的內(nèi)存管理
標(biāo)準(zhǔn)Linux使用虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)，應(yīng)用在帶有MMU的處理器上，虛擬地址被送到MMU，把虛擬地址映射為物理地址。而μClinux同標(biāo)準(zhǔn)Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理，只有了解它們內(nèi)存管理的差異后，才能更好地利用RTAI對μClinux進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造。
μClinux雖然為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作[5]，但μClinux與標(biāo)準(zhǔn)Linux的架構(gòu)完全一致。μClinux雖然無法使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，但μClinux仍然采用存儲(chǔ)器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)把實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁，在加載應(yīng)用程序時(shí)分頁加載。一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為進(jìn)程分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲(chǔ)器的連續(xù)空間中。μClinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略，通過地址總線對物理內(nèi)存進(jìn)行直接訪問。所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址，操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(hù)，所有的進(jìn)程都在一個(gè)運(yùn)行空間中運(yùn)行（包括內(nèi)核進(jìn)程）。
在μClinux系統(tǒng)中，缺少了MMU的內(nèi)存映射，μClinux必須在可執(zhí)行文件加載階段對可執(zhí)行文件reloc處理，使得程序執(zhí)行時(shí)能夠直接使用物理內(nèi)存；其次，μClinux沒有自動(dòng)生長的堆棧，也沒有brk()函數(shù)，用戶空間的程序必須使用mmap()命令來分配內(nèi)存；同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程時(shí)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)，μClinux雖然支持fork()函數(shù)，但實(shí)質(zhì)是所有的多進(jìn)程管理都通過vfork()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。vfork() 是μClinux與標(biāo)準(zhǔn)Linux應(yīng)用程序的開發(fā)中最重要的不同之處，只有對vfork()與fork()兩個(gè)函數(shù)的差異和程序處理機(jī)制有詳細(xì)的了解后，才能順利地完成從Linux到μClinux的程序移植。
3. 基于RTAI的Linux硬實(shí)時(shí)支持方案
3.1 RTAI簡介
RTAI for Linux[6]是雙內(nèi)核架構(gòu)的Linux實(shí)時(shí)化方案的典型代表，它由意大利的Milan大學(xué)主持，是近年來非?；钴S的開源項(xiàng)目。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是在Linux上定義了一組實(shí)時(shí)硬件抽象層RTHAL（Real Time Hardware Abstraction Layer），通過RTHAL進(jìn)行硬件管理，把基本內(nèi)核和實(shí)時(shí)內(nèi)核結(jié)合在一起，其中一個(gè)內(nèi)核的改變，不會(huì)影響另一個(gè)內(nèi)核的執(zhí)行，RTHAL將RTAI需要在Linux中修改的部分定義成一組程序界面，RTAI只使用這組界面和Linux溝通，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3.2 RTAI的RTHAL
RTAI從內(nèi)核中提取一個(gè)RTHAL，RTAI首先是一個(gè)中斷分發(fā)器，當(dāng)RTAI模塊被加載后，CPU中斷仍由Linux管理，RTAI只接管外部設(shè)備的中斷并分發(fā)（有可能仍分發(fā)給Linux）。這種接管是通過RTHAL來實(shí)現(xiàn)的，RTHAL包含一些重要的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，RTAI模塊可能修改的內(nèi)容都收集在此結(jié)構(gòu)體中。
圖1雙內(nèi)核實(shí)時(shí)μClinux架構(gòu) |
當(dāng)RTAI裝載時(shí)，只需要重新設(shè)置RTHAL中的各項(xiàng)內(nèi)容。內(nèi)核需要修改執(zhí)行RTHAL以代替原來的內(nèi)容，如
do_IRQ(irq,dummy)；
被修改為：
rthal.c_do_IRQ(irq,dummy)；
Linux初始化RTHAL為指向原始的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，RTHAL僅僅進(jìn)行重定向。當(dāng)RTAI被激活，RTHAL保存并且改變這些函數(shù)的值為 RTAI自己的內(nèi)容。以上段代碼為例，當(dāng)RTAI還沒有加載時(shí)，rthal.c_do_IRQ的值就是Linux的do_IRQ，當(dāng)RTAI被加載時(shí)，RTAI執(zhí)行以下代碼，將rthal.c_do_IRQ替換成RTAI自己的分發(fā)器：
rthal.c_do_IRQ=dispatch_irq；
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