對嵌入式Linux進行實時性改進是嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個研究熱點。本文在分析了現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)實時性不足的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的改進方案(將RTAI和uClinux相結(jié)合)，并給出具體的工控應(yīng)用實例，進一步對這種系統(tǒng)的功能進行有效驗證。

圖1：雙內(nèi)核實時系統(tǒng)嵌入式實時Linux架構(gòu)。嵌入式Linux以代碼開放、價格低廉、功能強大又易于移植的特性正在被廣泛應(yīng)用，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了一個極具吸引力的選擇。但許多實際應(yīng)用，譬如多媒體通信、生產(chǎn)過程控制、在線事務(wù)處理等等都要求對外部事件在限定的時間內(nèi)做出反應(yīng)。因而嵌入式系統(tǒng)實時性問題越來越受到關(guān)注，對嵌入式Linux進行實時性改進也成為嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個研究熱點。

本文提出了一種基于uClinux的嵌入式實時操作系統(tǒng)方案。將RTAI和uClinux相結(jié)合，既滿足了嵌入式應(yīng)用的需求，同時又保證了系統(tǒng)的硬實時性。此外，還有強大的網(wǎng)絡(luò)功能、易升級性、易移植性等優(yōu)點。最后結(jié)合基于這一操作系統(tǒng)開發(fā)的重大裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用案例，進一步從功能和性能上對其進行驗證。

現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題

一個優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。它除了具備一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件功能等，還需要具有以下特點：1.更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性；2.占有更少的硬件資源；3. 高可靠性；4.提供強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議；5. 有些應(yīng)用要求具有實時性能。

現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)大致可分為商用型和免費型兩類：商用型操作系統(tǒng)由于功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，在嵌入式市場占有一定的份額。但它同時也存在價格昂貴、需要版權(quán)、源代碼不公開等一系列問題；免費型操作系統(tǒng)(如Linux)源碼公開，有價格方面的優(yōu)勢，但在嚴格滿足嵌入式實時應(yīng)用需求方面還有欠缺。

RTAI對Linux的實時性改進

現(xiàn)有幾種針對Linux的實時系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)方法主要包括兩種：1)直接修改Linux內(nèi)核、增加實時性，如：Montavista；2)在普通Linux內(nèi)核之上增加實時模塊、雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如：RTLinux或RTAI。

Montavista可以滿足用戶的軟實時要求，RTLinux或RTAI著重增強Linux的硬實時特性。軟實時系統(tǒng)的時限是柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時錯誤。失敗造成的后果并不嚴重，僅僅是輕微地降低了系統(tǒng)的吞吐量。硬實時系統(tǒng)有一個剛性的、不可改變的時間限制，它不允許任何超出時限的錯誤。超時錯誤會帶來損害甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失敗、或者導(dǎo)致系統(tǒng)不能實現(xiàn)它的預(yù)期目標(biāo)。

RTAI采用雙內(nèi)核方法，不直接使用Linux的任何功能，而是把需要高度時間精度的工作寫成一個驅(qū)動程序的形式，然后直接用PC時序芯片所產(chǎn)生的中斷調(diào)用這個驅(qū)動程序。RTAI與NMTRT-Linux的最大不同之處在于，它在Linux上定義了一組實時硬件抽象層(RTHAL)。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。這樣做的好處在于，用戶可以將直接修改的Linux核心程序代碼減至最小，這有可能使得將RTHAL移植到新版Linux的工作量減至最低。但是，RTAI雖然滿足了硬實時性要求，卻沒有被裁減為足夠小且適用于嵌入式系統(tǒng)。

RTAI+uClinux的實時方案

uClinux是為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，它本身并沒有更多地關(guān)注實時問題。uClinux經(jīng)過小型化改造，形成了一個高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式Linux，并保留了Linux大多數(shù)的優(yōu)點。它專門針對無MMU的CPU，去除了普通Linux內(nèi)核中的虛擬內(nèi)存管理部分。更重要的是，uClinux提供了完整的TCP/IP協(xié)議棧，并支持大量其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為嵌入式系統(tǒng)提供了強大的網(wǎng)絡(luò)支持。

而從前面的分析可以看出，RTAI是基于普通Linux內(nèi)核，相對于嵌入式應(yīng)用其內(nèi)核過于龐大；而uClinux本身并沒有更多地關(guān)注實時問題。因此，可以將RTAI和uClinux相結(jié)合，采用雙內(nèi)核的設(shè)計方案，既滿足了嵌入式應(yīng)用的需求，又保證了系統(tǒng)的硬實時性。

1．硬件抽象層

系統(tǒng)的實現(xiàn)基礎(chǔ)是硬件抽象層，通過硬件抽象層進行硬件管理，把基本內(nèi)核和實時內(nèi)核結(jié)合在一起，其中一個內(nèi)核的改變，不會影響另一個內(nèi)核的執(zhí)行。

硬件抽象層定義了本系統(tǒng)同硬件之間的抽象接口，主要用來截取硬件中斷，并且依據(jù)實時內(nèi)核調(diào)度器的需求，重定向為基本內(nèi)核任務(wù)或是實時任務(wù)。RTHAL包含一個關(guān)鍵的組件：中斷描述符表(IDT，InterruptDetorTable)，它定義了一套指針用來處理中斷例程。RTHAL本身定義了一個結(jié)構(gòu)，使得基本內(nèi)核中斷處理函數(shù)能夠很容易地被實時處理函數(shù)所替代。這樣，當(dāng)實時內(nèi)核通過RTHAL激活后，新的IDT表為合法。在以上控制下，基本內(nèi)核作為實時系統(tǒng)的任務(wù)提供服務(wù)。

2．雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)

雙內(nèi)核實時系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，主要包含了基本內(nèi)核、實時內(nèi)核、硬件抽象層、硬件部分。

其中基本內(nèi)核(uClinux)和實時內(nèi)核(RTAI)分別處理非實時和實時任務(wù)的調(diào)度和執(zhí)行，而實時任務(wù)和非實時任務(wù)之間信息的交換要通過管道(FIFO)或共享內(nèi)存(MBUFF)來實現(xiàn)。當(dāng)實時任務(wù)運行時，基本內(nèi)核被硬件抽象層屏蔽。即實時內(nèi)核將基本內(nèi)核作為優(yōu)先級最低的一個任務(wù)來運行，只有在沒有實時任務(wù)運行的時候才予以調(diào)度。

3.實時內(nèi)核動態(tài)加載

嵌入式實時Linux的實時內(nèi)核是動態(tài)加載的。實時任務(wù)被激活前，實時內(nèi)核并沒有啟動，基本內(nèi)核通過RTHAL透明訪問硬件，就像RTHAL不存在一樣。當(dāng)實時任務(wù)被激活時，RTHAL結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，基本內(nèi)核被實時內(nèi)核接管，圖2表明了實時內(nèi)核啟動前后，系統(tǒng)發(fā)生的變化。

4．調(diào)度處理

當(dāng)中斷到來時，實時內(nèi)核判斷它是基本內(nèi)核中斷還是屬于實時中斷，分別進行處理。若是基本內(nèi)核中斷，如果當(dāng)前有實時任務(wù)正在運行，則只是設(shè)置一下中斷標(biāo)志位，懸掛此中斷，如果沒有實時任務(wù)運行，則調(diào)用基本內(nèi)核的中斷處理程序；如果此中斷是實時中斷，就直接調(diào)用相對應(yīng)的實時中斷處理程序。注意，實時中斷可以搶先基本內(nèi)核任務(wù)的執(zhí)行。系統(tǒng)的中斷處理流程如圖3所示。

應(yīng)用案例

工業(yè)控制是嵌入式實時操作系統(tǒng)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，需要嚴格的實時處理功能、高可靠性和良好的開放性，對開發(fā)環(huán)境、可操作性、成本等也有特別的要求。因此本項研究以重大裝備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)作為其應(yīng)用之一。

1.嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用針對工業(yè)生產(chǎn)中使用的大型設(shè)備在連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的遠程監(jiān)控問題，研究用于重大裝備遠程監(jiān)控的嵌入式裝置。系統(tǒng)主要包括輸入/輸出模塊(NetIO)和輸入/輸出上位模塊(NetWeb)，前者用于實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集(輸入)，或用于現(xiàn)場裝置的控制(輸出)，后者集成了Web功能，使得用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)對輸入/輸出模塊進行訪問。兩類模塊通過網(wǎng)絡(luò)相連接，在本系統(tǒng)中為通過串行485總線。嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如