一种最新改进嵌入Linux实时性的新型方案
对嵌入式linux进行实时性改进是嵌入式操作系统领域的一个研究热点。本文在分析了现有嵌入式操作系统实时性不足的基础上，提出了一种新型的改进方案(将rtai和uclinux相结合)，并给出具体的工控应用实例，进一步对 这种系统的功能进行有效验证。
图1 双内核实时系统嵌入式实时linux架构
嵌 入式linux以代码开放、价格低廉、功能强大又易于移植的特性正在被广泛应用，为嵌入式操作系统提供了一个极具吸引力的选择。但许多实际应用，譬如多媒 体通信、生产过程控制、在线事务处理等等都要求对外部事件在限定的时间内做出反应。因而嵌入式系统实时性问题越来越受到关注，对嵌入式linux进行实时 性改进也成为嵌入式操作系统领域的一个研究热点。
本文提出了一种基于uclinux的嵌入式实时操作系统方案。将rtai和 uclinux相结合，既满足了嵌入式应用的需求，同时又保证了系统的硬实时性。此外，还有强大的网络功能、易升级性、易移植性等优点。最后结合基于这一 操作系统开发的重大装备远程监控系统的应用案例，进一步从功能和性能上对其进行验证。
现有嵌入式操作系统应用中存在的问题
一个优秀的嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键。它除了具备一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等，还需要具有以下特点：
1. 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性；
2. 占有更少的硬件资源；
3. 高可靠性；
4. 提供强大的网络功能，支持tcp/ip协议及其他协议；
5. 有些应用要求具有实时性能。
现 有的嵌入式操作系统大致可分为商用型和免费型两类：商用型操作系统由于功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，在嵌入式市场占有一定的份额。但它同 时也存在价格昂贵、需要版权、源代码不公开等一系列问题；免费型操作系统(如linux)源码公开，有价格方面的优势，但在严格满足嵌入式实时应用需求方 面还有欠缺。
图2 实时内核实现机理
rtai对linux的实时性改进
现有几种针对linux的实时系统解决方案，实现方法主要包括两种：
1)直接修改linux内核、增加实时性，如：montavista；
2)在普通linux内核之上增加实时模块、双内核结构，如：rtlinux或rtai。
montavista 可以满足用户的软实时要求，rtlinux或rtai着重增强linux的硬实时特性。软实时系统的时限是柔性灵活的，它可以容忍偶然的超时错误。失败造 成的后果并不严重，仅仅是轻微地降低了系统的吞吐量。硬实时系统有一个刚性的、不可改变的时间限制，它不允许任何超出时限的错误。超时错误会带来损害甚至 导致系统失败、或者导致系统不能实现它的预期目标。
rtai采用双内核方法，不直接使用linux的任何功能，而是把需要高度时间精度的 工作写成一个驱动程序的形式，然后直接用pc时序芯片所产生的中断调用这个驱动程序。rtai与nmt rt-linux的最大不同之处在于，它在linux上定义了一组实时硬件抽象层(rthal)。rthal将rtai需要在linux中修改的部分定义 成一组程序界面，rtai只使用这组界面和linux沟通。这样做的好处在于，用户可以将直接修改的linux核心程序代码减至最小，这有可能使得将 rthal移植到新版linux的工作量减至最低。
但是，rtai虽然满足了硬实时性要求，却没有被裁减为足够小且适用于嵌入式系统。
rtai+uclinux的实时方案
uclinux 是为嵌入式应用设计的，它本身并没有更多地关注实时问题。uclinux经过小型化改造，形成了一个高度优化、代码紧凑的嵌入式linux，并保留了 linux大多数的优点。它专门针对无mmu的cpu，去除了普通linux内核中的虚拟内存管理部分。更重要的是，uclinux提供了完整的 tcp/ip协议栈，并支持大量其他的网络协议，为嵌入式系统提供了强大的网络支持。
而从前面的分析可以看出，rtai是基于普通linux内核，相对于嵌入式应用其内核过于庞大；而uclinux本身并没有更多地关注实时问题。因此，可以将rtai和uclinux相结合，采用双内核的设计方案，既满足了嵌入式应用的需求，又保证了系统的硬实时性。
1．硬件抽象层
图3 系统中断处理流程图
系统的实现基础是硬件抽象层，通过硬件抽象层进行硬件管理，把基本内核和实时内核结合在一起，其中一个内核的改变，不会影响另一个内核的执行。
硬 件抽象层定义了本系统同硬件之间的抽象接口，主要用来截取硬件中断，并且依据实时内核调度器的需求，重定向为基本内核任务或是实时任务。rthal包含一 个关键的组件：中断描述符表(idt，interrupt descriptor table)，它定义了一套指针用来处理中断例程。rthal本身定义了一个结构，使得基本内核中断处理函数能够很容易地被实时处理函数所替代。这样，当 实时内核通过rthal激活后，新的idt表为合法。在以上控制下，基本内核作为实时系统的任务提供服务。
2．双内核结构
双内核实时系统的总体结构模型如图1所示，主要包含了基本内核、实时内核、硬件抽象层、硬件部分。
其 中基本内核(uclinux)和实时内核(rtai)分别处理非实时和实时任务的调度和执行，而实时任务和非实时任务之间信息的交换要通过管道 (fifo)或共享内存(mbuff)来实现。当实时任务运行时，基本内核被硬件抽象层屏蔽。即实时内核将基本内核作为优先级最低的一个任务来运行，只有 在没有实时任务运行的时候才予以调度。
3.实时内核动态加载
嵌入式实时linux的实时内核是动态加载的。实时任务被激活前，实时内核并没有启动，基本内核通过rthal透明访问硬件，就像rthal不存在一样。当实时任务被激活时，rthal结构发生变化，基本内核被实时内核接管，图2表明了实时内核启动前后，系统发生的变化。
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图1 双内核实时系统嵌入式实时linux架构
嵌 入式linux以代码开放、价格低廉、功能强大又易于移植的特性正在被广泛应用，为嵌入式操作系统提供了一个极具吸引力的选择。但许多实际应用，譬如多媒 体通信、生产过程控制、在线事务处理等等都要求对外部事件在限定的时间内做出反应。因而嵌入式系统实时性问题越来越受到关注，对嵌入式linux进行实时 性改进也成为嵌入式操作系统领域的一个研究热点。
本文提出了一种基于uclinux的嵌入式实时操作系统方案。将rtai和 uclinux相结合，既满足了嵌入式应用的需求，同时又保证了系统的硬实时性。此外，还有强大的网络功能、易升级性、易移植性等优点。最后结合基于这一 操作系统开发的重大装备远程监控系统的应用案例，进一步从功能和性能上对其进行验证。
现有嵌入式操作系统应用中存在的问题
一个优秀的嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键。它除了具备一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等，还需要具有以下特点：
1. 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性；
2. 占有更少的硬件资源；
3. 高可靠性；
4. 提供强大的网络功能，支持tcp/ip协议及其他协议；
5. 有些应用要求具有实时性能。
现 有的嵌入式操作系统大致可分为商用型和免费型两类：商用型操作系统由于功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，在嵌入式市场占有一定的份额。但它同 时也存在价格昂贵、需要版权、源代码不公开等一系列问题；免费型操作系统(如linux)源码公开，有价格方面的优势，但在严格满足嵌入式实时应用需求方 面还有欠缺。
图2 实时内核实现机理
rtai对linux的实时性改进
现有几种针对linux的实时系统解决方案，实现方法主要包括两种：
1)直接修改linux内核、增加实时性，如：montavista；
2)在普通linux内核之上增加实时模块、双内核结构，如：rtlinux或rtai。
montavista 可以满足用户的软实时要求，rtlinux或rtai着重增强linux的硬实时特性。软实时系统的时限是柔性灵活的，它可以容忍偶然的超时错误。失败造 成的后果并不严重，仅仅是轻微地降低了系统的吞吐量。硬实时系统有一个刚性的、不可改变的时间限制，它不允许任何超出时限的错误。超时错误会带来损害甚至 导致系统失败、或者导致系统不能实现它的预期目标。
rtai采用双内核方法，不直接使用linux的任何功能，而是把需要高度时间精度的 工作写成一个驱动程序的形式，然后直接用pc时序芯片所产生的中断调用这个驱动程序。rtai与nmt rt-linux的最大不同之处在于，它在linux上定义了一组实时硬件抽象层(rthal)。rthal将rtai需要在linux中修改的部分定义 成一组程序界面，rtai只使用这组界面和linux沟通。这样做的好处在于，用户可以将直接修改的linux核心程序代码减至最小，这有可能使得将 rthal移植到新版linux的工作量减至最低。
但是，rtai虽然满足了硬实时性要求，却没有被裁减为足够小且适用于嵌入式系统。
rtai+uclinux的实时方案
uclinux 是为嵌入式应用设计的，它本身并没有更多地关注实时问题。uclinux经过小型化改造，形成了一个高度优化、代码紧凑的嵌入式linux，并保留了 linux大多数的优点。它专门针对无mmu的cpu，去除了普通linux内核中的虚拟内存管理部分。更重要的是，uclinux提供了完整的 tcp/ip协议栈，并支持大量其他的网络协议，为嵌入式系统提供了强大的网络支持。
而从前面的分析可以看出，rtai是基于普通linux内核，相对于嵌入式应用其内核过于庞大；而uclinux本身并没有更多地关注实时问题。因此，可以将rtai和uclinux相结合，采用双内核的设计方案，既满足了嵌入式应用的需求，又保证了系统的硬实时性。
1．硬件抽象层
图3 系统中断处理流程图
系统的实现基础是硬件抽象层，通过硬件抽象层进行硬件管理，把基本内核和实时内核结合在一起，其中一个内核的改变，不会影响另一个内核的执行。
硬 件抽象层定义了本系统同硬件之间的抽象接口，主要用来截取硬件中断，并且依据实时内核调度器的需求，重定向为基本内核任务或是实时任务。rthal包含一 个关键的组件：中断描述符表(idt，interrupt descriptor table)，它定义了一套指针用来处理中断例程。rthal本身定义了一个结构，使得基本内核中断处理函数能够很容易地被实时处理函数所替代。这样，当 实时内核通过rthal激活后，新的idt表为合法。在以上控制下，基本内核作为实时系统的任务提供服务。
2．双内核结构
双内核实时系统的总体结构模型如图1所示，主要包含了基本内核、实时内核、硬件抽象层、硬件部分。
其 中基本内核(uclinux)和实时内核(rtai)分别处理非实时和实时任务的调度和执行，而实时任务和非实时任务之间信息的交换要通过管道 (fifo)或共享内存(mbuff)来实现。当实时任务运行时，基本内核被硬件抽象层屏蔽。即实时内核将基本内核作为优先级最低的一个任务来运行，只有 在没有实时任务运行的时候才予以调度。
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