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<title>CTerm非常精华下载</title>
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<tr><td width="32%" rowspan="3" height="123"><img src="DDl_back.jpg" width="300" height="129" alt="DDl_back.jpg"></td><td width="30%" background="DDl_back2.jpg" height="35"><p align="center"><a href="http://bbs.fudan.edu.cn"><font face="黑体"><big><big>日月光华</big></big></font></a></td></tr>
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<td width="68%" background="DDl_back2.jpg" height="44"><big><big><font face="黑体"><p align="center"> 基于linux的嵌入式系统研究 </font></big></big></td></tr>
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</tr>
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<hr><p align="left"><small>发信人: smilecrying (越龙), 信区: Embedded <br>
标 题: 基于linux的嵌入式系统研究(5) <br>
发信站: 日月光华 (2003年05月25日16:35:54 星期天) <br>
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第四章 实时Linux <br>
利用Linux实现一个实时系统有这样那样的好处，在前面已经详细描述过了。但是，如何通 <br>
过Linux来实现这个实时系统呢？一般说来，有两种途径来实现，第一种方法是通过POSIX <br>
方法；另一种方法是通过底层编程的方法实现。 <br>
POSIX（Portable Operating System Interface）是标准化类UNIX操作系统必须具有的特 <br>
征和接口的运动。使用POSIX的思想就是为了促进为UNIX编写软件的可移植性，从而使得U <br>
NIX程序员的工作更为容易。并且在POSIX里面加进了对实时性的扩展，如POSIX.1b或者IE <br>
EE 1003.1b已经加入到POSIX标准中。在这些实时性扩展里面定义了一些工具，如信号、内 <br>
存锁定、时钟和计数器、消息队列以及优先级抢先调度等等。不过通过POSIX基础来标准化 <br>
实时操作系统并不被开发者所看中。因为POSIX系统调用反映了UNIX系统调用的复杂和笨重 <br>
。 <br>
现在已经有很多程序员在Linux下做实现POSIX .1b的实现工作，并且已经实现了POSIX <br>
内存锁定工具和决定调度算法。另外，计数器函数和POSIX.1b信号还没有完成，而且信号 <br>
和消息队列也还没有实现。或许，如果一直遵循POSIX.1c中，开发出POSIX线程。在Linux <br>
中实现一个进程内可以有多个线程，共享相同的地址空间，从而作为嵌入式系统中的任务 <br>
这个概念。但是我们可以这样想象，即使把POSIX.1b函数完全移植到Linux上来，而Linux <br>
内核却不能被实时任务所抢占，那么这样的实现恐怕还是没有意义，无法实现真正意义上 <br>
<br>
<br>
的“硬”实时。 <br>
另外一条实现实时的途径就是使用底层编程的方法。在Linux内核中作出最少的改动， <br>
<br>
Linux内核中影响实时性能的地方增加进控制，将控制权交给RTLinux内核。因此，RTLinu <br>
x只需要提供一些必要的功能，如底层任务创建、中断服务程序，并且为底层任务、ISR和 <br>
Linux进程之间进行通信排队。在第三节我将详细描述RTLinux的实现机理。 <br>
<br>
4.1 实时Linux（RTLinux）介绍 <br>
RTLinux是通过底层路线实现对Linux实时改造的产物。这是美国新墨西哥州大学计算机科 <br>
学系Victor Yodaiken和Michael Brananov开发的。他在Linux内核的下层实现了一个简单 <br>
的实时内核，而Linux本身作为这个实时内核的优先级最低的任务，所有的实时任务的优先 <br>
级都要高于Linux本身以及Linux下的一般任务。 <br>
目前，RT Linux已经得到了一些应用。NASA用RTLinux开发出来的数据采集系统用来采集G <br>
eorge飓风中心的风速；好莱坞的电影制作人用RTLinux来作为视频编辑工具；RTLinux还用 <br>
来作为机器人控制器；甚至在医学方面有用RTLinux来控制心脏的跳动的。 <br>
RTLinux的性能是“硬”实时系统的性能。在一台386机器上，RT Linux从处理器检测到中 <br>
断到中断处理程序开始工作不会超过15微秒；对一个周期性的任务，在35微秒内一定会执 <br>
行。如果是普通的Linux，一般是在600微秒内开始一个中断服务程序，对周期性的任务很 <br>
可能会超过20毫秒（20,000微秒）。 <br>
4.2 RTLinux特征 <br>
4.2.1 小而精巧的实时内核 <br>
RTLinux实现了一个在Linux本身内核之下的一个小而精巧的内核，这个内核只需要完成底 <br>
层任务创建、中断服务程序，并为底层任务、ISR和Linux进程之间进行通信排队的工作。 <br>
将原来的Linux作为实时内核下的一个随时可被实时任务抢占的优先级最低的任务。因为R <br>
TLinux工作是和Linux相结合进行工作，因此它可以设计得很简单，大部分的应用都不需要 <br>
考虑，可以由Linux来完成。因为简单，使得它不容易出现错误；即使出现错误也容易得到 <br>
更正。同时因为简单，并且完全抢占Linux内核任务，使得它的响应速度特别快。 <br>
<br>
4.2.2 模块化的设计方案 <br>
RTLinux是对Linux内核做了修改，做成一个小而简单的实时内核在现有的Linux内核下的。 <br>
对RTLinux的调度方法、用户实时任务的工作是通过Linux的可导入模块的方式进行的。可 <br>
以自己实现一个实时调度算法，作为Linux的模块插入到内核运行空间，作为实时任务的调 <br>
度策略。用户实时任务的编程也是通过模块编程来实现的。 <br>
4.2.3 和Linux内核的结合 <br>
正如我在3.2里面提到的那样，采用双内核系统有很多好处。这样，我们对RTLinux应用来 <br>
看，存在有两个域，一个是实时域，一个是非实时域。放在实时域的函数能满足其实时的 <br>
要求，不过这些实时任务必须要简单，因为可用的资源受到了限制；非实时域的函数可以 <br>
利用整个Linux的资源，不过不能提供任何的实时性能。在两个域之间可以通过多种途径进 <br>
行通信，如FIFO，共享内存等方法。 <br>
4.2.3.1 利用Linux内核的好处 <br>
通过RTLinux内核和Linux内核的结合，RTLinux可以利用存在Linux的非实时域函数的长处 <br>
： <br>
1）Linux提供了现代操作系统和环境的方便和强大功能，如网络服务，GUI 系统，C/C++/ <br>
Java开发工具和标准的编程接口。 <br>
2）利用Linux和Linux下开发环境的快速发展的优点。因为RTLinux对Linux所做的改动比较 <br>
少，RTLinux可以很方便的移植到Linux较新的版本中，升级速度较快。 <br>
<br>
4.2.3.2 和Linux进行通信的方法 <br>
在RTLinux的实时任务并不能直接调用系统调用，它必须通过特定的方法和Linux进程进行 <br>
通信。RTLinux提供了三种通信的方法： <br>
1）共享内存 <br>
在RTLinux启动的时候，通过指定给内核一个mem参数决定内核可以使用的内存大小，空出 <br>
来的内存空间用于实时任务和Linux进程进行通信的共享内存。在RTLinux任务中通过/dev <br>
/mem设备在这段内存中寻址，Linux进程也通过读取这段内存的数据获得实时任务提供的信 <br>
息，这样完成实时任务和Linux进程之间的通信。 <br>
2）FIFO设备 <br>
利用一种特殊属性的管道进行通信。通过在/dev/下面创建FIFO的字符设备。实时任务可以 <br>
往这个字符设备写数据，非实时任务可以从这个设备中读取数据。在对FIFO设备的读写是 <br>
不同步的，非实时任务对设备的读取并不会影响实时任务对它的写。 <br>
这种机制是RTLinux应用中使用最广泛的通信方法，比如在一个数据采集系统上，通过实时 <br>
任务将数据采集并处理，然后写到FIFO设备中，通过一个在X Windows环境中的图形界面程 <br>
序读取FIFO的数据，然后显示在X Windows窗口中。这样，既保证了对数据的实时处理，又 <br>
提供了友好的监控界面。 <br>
3）mbuff驱动程序 <br>
由Tomasz Motylewski提供的一个使用共享内存的驱动程序。用来实现核心内存空间和 <br>
<br>
<br>
户内存空间之间的共享。通过使用mbuff提供的mbuff_alloc（）函数对申请的内存取一个 <br>
名字，mbuff驱动程序使用一个链表通过这个名字来管理这些申请的内存。通过这个驱动程 <br>
序可以在包括RTLinux任务的Linux内核内存空间和用户内存空间之间共享内存。 <br>
4.3 RTLinux的实现机理 <br>
RTLinux对Linux内核进行改造，将Linux内核工作环境做了一些变化，如下图所示： <br>
从这张图可以看出，在Linux进程和硬件中断之间，本来由Linux内核完全控制，现在在Li <br>
nux内核和硬件中断的地方，加上了一个RTLinux内核的控制。Linux的控制信号都要先交给 <br>
RTLinux内核先进行处理。在RTLinux内核中实现了一个虚拟中断机制，Linux本身永远不能 <br>
屏蔽中断，它发出的中断屏蔽信号和打开中断信号都修改成向RTLinux发送一个信号。如在 <br>
Linux里面使用“sti”和“cli”宏指令来屏蔽和使能中断，是通过向x86处理器发送一个 <br>
指令，而RTLinux修改了这些宏指令，使得只是让RTLinux里面的某些标记做了修改而已。 <br>
也就是说对所有的中断，分成Linux中断和实时中断两类，如果RTLinux内核收到的中断信 <br>
号是普通Linux中断，那就设置一个标志位；如果是实时中断，就继续向硬件发出中断。在 <br>
RT Linux中执行sti将中断打开之后，那些设置了标志位表示的Linux中断就继续执行。因 <br>
此，cli并不能禁止RT Linux内核的运行，却可以用来中断Linux。Linux不能中断自己，而 <br>
RT Linux可以。 <br>
这里体现了RTLinux设计过程中的原则：在实时内核模块中的工作尽量少，如果能在Linux <br>
中完成而不影响实时性能的话，就尽量在Linux中完成。因此，RTLinux内核尽量做的简单 <br>
，在RTLinux内核中，不应该等待资源，也不需要使用共享旋转锁（SpinLock），实时任务 <br>
和Linux进程间的通信也是非阻塞的，从来不用等待进队列和出队列的数据。 <br>
RT Linux将系统和设备的初始化交给了Linux完成，对动态资源的申请和分配也交给了Lin <br>
ux。RTLinux使用静态分配的内存来完成硬实时任务，因为在没有内存资源的时候，被阻塞 <br>
的线程不可能具有硬实时能力。 <br>
<br>
4.4 RTLinux的编程接口（API） <br>
在2.0版本的RTLinux里面包括了两个部分的内容。 <br>
一部分是对Linux内核的修改，使得Linux内核中形成一个RTLinux实时小内核。在这个内核 <br>
中提供了小延时并且不能被Linux延迟和抢占的的中断处理过程，并且提供了一些底层的同 <br>
步和中断的控制过程。并且现在可以支持SMP（对称多处理器系统），同时为了简化RTLin <br>
ux结构，把一些没有必要的功能从其中移走了。 <br>
另外一部分是作为Linux标准模块出现的，提供了RTLinux的编程和控制接口（API）。通过 <br>
使用这些API可以提供对实时任务的创建和删除、任务的调度和控制等功能。这些模块如下 <br>
： <br>
1）rtl_sched 提供了基于优先级的调度方法，支持POSIX接口和1.0版本的RTLinux API函 <br>
数。 <br>
2）rtl_time提供了控制处理器时钟，并且提供了一个时钟处理过程的抽象接口。 <br>
3）rtl_posixio提供了使用POSIX方式的驱动程序的读/写/打开调用。 <br>
4）rtl_fifo提供了实时任务和Linux进程的通信接口，通过一个Linux进程可以读写的FIF <br>
O设备进行通信。 <br>
5）semaphore是由Jerry Epplin提供的给实时任务提供信号量的模块。 <br>
6）mbuff是由Tomasz Motylewski提供的内核进程和Linux用户进程进行通信的共享内存驱 <br>
动程序。通过mbuff驱动程序可以让实时任务和用户线程共享内存。 <br>
<br>
在这些模块里面，提供的API函数主要有如下几类： <br>
1）中断控制API函数 <br>
2）时钟控制和获取 <br>
3）线程的创建和删除（在2.0版本的RTLinux里面，不再通过rt_task_init和rt_task_d <br>
<br>
lete创建和删除实时任务，而是通过pthread线程库进行操作。）以及线程优先级和调度策 <br>
略的控制API函数 <br>
4）POSIX方式的驱动接口 <br>
5）FIFO设备驱动程序 <br>
6）串口驱动程序的API函数 <br>
7）mbuff驱动API函数 <br>
8）浮点运算API函数 <br>
<br>
具体的API介绍和使用方法可以参考《RTLinux Version Two White Pages》 <br>
4.5 RTLinux的编程方法示例 <br>
在这里介绍一个RT Linux编程示例，说明在RT Linux下面编程的方法。因为篇幅关系， <br>
<br>
选择了一个验证RT Linux的任务调度性能测试的例子。在介绍例子之前，先介绍需要用到 <br>
的RT Linux标准API函数： <br>
4.5.1 需要用到的API函数： <br>
4.5.1.1 任务生成和调度函数 <br>
int pthread_create(pthread_t *p, pthread_attr_t *a, void *(*f)(void*), void *x <br>
); <br>
); <br>
创建一个线程，这个线程运行函数指针f指向的过程，x是这个函数指针的入口参数。a <br>
<br>
这个线程的属性值，可以为这个属性设置CPU号、堆栈大小等等属性。返回0值表示成功创 <br>
建一个线程，线程号存放在p所指向的空间；返回非0表示创建线程失败。 <br>
int pthread_delete_np(pthread_t thread); <br>
删除一个线程，并且释放该线程的所有资源。返回0表示成功删除，非0表示删除失败。 <br>
<br>
int pthread_setschedparam(pthread_t thread, int policy, const struct sched_par <br>
am*); <br>
设置一个线程的调度参数，用policy和sched_param两个参数设置thread的调度参数属 <br>
<br>
。policy = SCHED_RR的时候使用Round-Robin调度方法进行调度；policy = SCHED_FIFO的 <br>
时候使用先进先出的方法进行调度。返回值为0表示调度成功，否则就是失败。 <br>
int pthread_getschedparam(pthread_t thread, int*policy, const struct sched_par <br>
am*); <br>
获得一个线程的调度参数。将获得的policy和sched_param 结构放在入口参数所指向的 <br>
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