對(duì)于中國工程師來說，利用實(shí)時(shí)Linux開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序是他們面臨的困難之一，本文以RTLinux為例，并結(jié)合最為業(yè)界關(guān)注的是RTAI進(jìn)行討論，盡管這兩種實(shí)現(xiàn)方式在句法細(xì)節(jié)上存在差異，但工作方式基本一樣，因此所講述的內(nèi)容對(duì)兩者都適用。

在實(shí)時(shí)任務(wù)與用戶進(jìn)程相互通信的過程中，有些實(shí)時(shí)應(yīng)用程序無需任何用戶界面即可在后臺(tái)平靜地運(yùn)行，然而，越來越多的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序確實(shí)需要一個(gè)用戶界面及其它系統(tǒng)功能，如文件操作或聯(lián)網(wǎng)等，所有這些功能都必須在用戶空間內(nèi)運(yùn)行。問題是，用戶空間操作是非確定性的，而且與實(shí)時(shí)操作不兼容。

幸運(yùn)的是實(shí)時(shí)Linux具有一種可在時(shí)間上減弱實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)操作的機(jī)制，這種機(jī)制表現(xiàn)為一種稱為實(shí)時(shí)FIFO的驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)insmod將rtl_fifo.o驅(qū)動(dòng)程序插入Linux內(nèi)核時(shí)，該驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆约鹤?cè)為RTLinux的一部分，并成為Linux驅(qū)動(dòng)程序。一旦插入Linux內(nèi)核，用戶空間進(jìn)程和實(shí)時(shí)任務(wù)都可使用實(shí)時(shí)Linux FIFO。

在深入探討實(shí)時(shí)FIFO的細(xì)節(jié)之前，還要回顧一下實(shí)時(shí)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的某些部分(圖1)。有效的嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法是將實(shí)時(shí)部分與固有的非實(shí)時(shí)功能分離開來(表1)。如果應(yīng)用程序的任一部分，如用戶界面、圖形、數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡(luò)僅需軟實(shí)時(shí)性能，最好是將該部分寫入用戶空間。然后，僅將必須滿足時(shí)序要求的那部分寫成實(shí)時(shí)任務(wù)。

注意，RTLinux(PSC，便攜式信號(hào)編碼)和RTAI(LXRT，Linux實(shí)時(shí)擴(kuò)展)的最新版本已采用了一種可在用戶空間執(zhí)行軟和硬實(shí)時(shí)任務(wù)的方法。



任何硬實(shí)時(shí)任務(wù)都是在RTLinux的控制下運(yùn)行的，該任務(wù)一般可執(zhí)行周期性任務(wù)、處理中斷并與I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通信，以采集或輸出模擬和數(shù)字信息。當(dāng)實(shí)時(shí)任務(wù)需要告訴用戶進(jìn)程有一個(gè)事件將發(fā)生時(shí)，它便將這一消息送給實(shí)時(shí)FIFO。每一個(gè)FIFO都是在一個(gè)方向上傳送數(shù)據(jù)：從實(shí)時(shí)任務(wù)到用戶空間，或反之。因此，雙向通信需要使用兩個(gè)FIFO。任何讀出或?qū)懭雽?shí)時(shí)任務(wù)一側(cè)的操作都是非模塊操作，因此rtf_put()和rtf_get()都立即返回，而不管FIFO狀態(tài)是什么。

從應(yīng)用程序一側(cè)來看，F(xiàn)IFO就像一個(gè)常規(guī)文件。缺省情況下，RTLinux安裝程序?qū)⒃?dev目錄下創(chuàng)建64個(gè)實(shí)時(shí)FIFO節(jié)點(diǎn)；如果需要，還必須自己創(chuàng)建新的節(jié)點(diǎn)。例如，要?jiǎng)?chuàng)建/dev/rtf80，需采用如下命令：

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mknod c 150 80；
chmod 0666 /dev/rtf80
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其中，150是實(shí)時(shí)FIFO主數(shù)，而80是rtf80的次數(shù)。

從用戶進(jìn)程的角度看，實(shí)時(shí)FIFO可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)文件操作。從實(shí)時(shí)任務(wù)來看，F(xiàn)IFO有兩種通信方式：直接調(diào)用RTLinux FIFO功能，或?qū)IFO作為一個(gè)RTLinux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并使用open()、close()、read()和write()操作。要想將FIFO作為一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，就必須將rtl_conf.h中的配置變量CONFIG_RTL_POSIX_IO設(shè)定為1。

rtf_create_handler()可設(shè)置處理程序功能。每次Linux進(jìn)程讀或?qū)慒IFO時(shí)，rtl_fifo驅(qū)動(dòng)程序都要調(diào)用該處理程序。應(yīng)注意的是，該處理程序駐留在Linux內(nèi)核，因此當(dāng)Linux需要調(diào)用時(shí)，從該處理程序進(jìn)行任何內(nèi)核調(diào)用都是安全的。從該處理程序到實(shí)時(shí)任務(wù)間的最好通信方法是使用旗語或線程同步功能。最后，F(xiàn)IFO驅(qū)動(dòng)程序還必須對(duì)內(nèi)核存儲(chǔ)器進(jìn)行配置。因此，實(shí)時(shí)線程內(nèi)的rtf_create()不應(yīng)調(diào)用。相反，可調(diào)用init_module()中的rtf_create()功能及cleanup_module()中的rtf_destroy()功能。

例如，列表1給出了一個(gè)采用兩個(gè)FIFO的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)部分。兩個(gè)FIFO都是在init_module()創(chuàng)建，并賦予minor numbers 為1和2。在調(diào)用rtf_create(minor, size)之前，該程序在已創(chuàng)建該FIFO的情況下調(diào)用rtf_destroy(minor)。這種情況就是另一個(gè)模塊在開發(fā)過程中未被調(diào)用。然后，調(diào)用rtf_create_handler(ID, &pd_do_aout)以注冊(cè)帶該實(shí)時(shí)FIFO的數(shù)據(jù)采集模擬輸出功能pd_do_aout()。注意，創(chuàng)建實(shí)時(shí)線程pp_thread_ep()是因?yàn)樗侵芷谛缘?，其間隔為1/100秒。

每次周期性線程得到系統(tǒng)控制權(quán)后，它就調(diào)用rtf_put(ID,dataptr,size)以便將數(shù)據(jù)插入minor number為2的FIFO。Linux進(jìn)程打開/dev/rtf2，從實(shí)時(shí)FIFO中讀取并顯示所采集的數(shù)據(jù)。該進(jìn)程還打開/dev/rtf1，將數(shù)據(jù)寫入其它實(shí)時(shí)FIFO。當(dāng)用戶移動(dòng)屏幕滑動(dòng)器以改變模擬輸出電壓時(shí)，進(jìn)程就向該FIFO寫入一個(gè)新的值。RTLinux便調(diào)用pd_do_aout()處理程序，隨后pd_do_aout()利用rtf_get()從FIFO獲得值，并調(diào)用實(shí)際的硬件驅(qū)動(dòng)程序以設(shè)置模擬輸出的電壓?？梢钥吹?，實(shí)時(shí)任務(wù)和用戶進(jìn)程是異步使用FIFO的。

任務(wù)間的存儲(chǔ)器共享

FIFO為用戶進(jìn)程和實(shí)時(shí)任務(wù)的連接提供了一種方便的機(jī)制，但將它們作為消息隊(duì)列更合適。比如，一個(gè)實(shí)時(shí)線程可利用FIFO記錄測(cè)試結(jié)果，然后用戶進(jìn)程就可讀取該結(jié)果，并將之存入數(shù)據(jù)庫文件。

許多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序涉及到內(nèi)核及用戶空間之間的大量數(shù)據(jù)。Linux內(nèi)核v. 2.2.x并沒有為這些空間的數(shù)據(jù)共享提供任何機(jī)制，但v. 2.4.0版本預(yù)計(jì)會(huì)包括kiobuf結(jié)構(gòu)。為解決現(xiàn)有穩(wěn)定內(nèi)核的這個(gè)缺點(diǎn)，RTLinux包括mbuff驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序可利用vmalloc()分配虛擬內(nèi)核存儲(chǔ)器的已命名存儲(chǔ)器區(qū)域，它采用的存儲(chǔ)器分配和頁面鎖定技巧跟大多數(shù)Linux中bttv幀抓取器(frame-grabber)驅(qū)動(dòng)程序所用的一樣。

更具體地說，mbuff一頁一頁地將虛擬內(nèi)存鎖定到實(shí)際的物理內(nèi)存頁面。任何實(shí)時(shí)或內(nèi)核任務(wù)，或用戶進(jìn)程在任何時(shí)間都可訪問該存儲(chǔ)器。通過將虛擬內(nèi)存頁面鎖定到物理內(nèi)存頁面，mbuff可確保所分配的頁面永久駐留在物理內(nèi)存，而且不會(huì)發(fā)生頁面錯(cuò)誤。換言之，當(dāng)實(shí)時(shí)或內(nèi)核進(jìn)程訪問所分配的存儲(chǔ)器時(shí)，它可確保VMM不被調(diào)用。注意：由于實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行期間實(shí)時(shí)Linux凍結(jié)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的執(zhí)行，任何對(duì)VMM的調(diào)用都會(huì)引起系統(tǒng)暫停。如果它要訪問并不位于物理RAM內(nèi)的虛擬存儲(chǔ)頁面，那么即使正常的Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序也會(huì)引起系統(tǒng)故障。

由于mbuff是一種Linux驅(qū)動(dòng)程序，其功能可通過設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/mbuff實(shí)現(xiàn)。該節(jié)點(diǎn)可顯示幾個(gè)錄入點(diǎn)，其中包括可將內(nèi)核空間地址映射到用戶空間的mmap()。它還可以利用錄入點(diǎn)ioctl()來控制。然而，并不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及直接調(diào)用ioctl。相反，mbuff可為ioctl()調(diào)用提供一個(gè)包裹，而且僅僅調(diào)用兩個(gè)簡(jiǎn)單的功能即可配置和釋放共享的存儲(chǔ)緩沖器。

當(dāng)然，不能從實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)用mbuff驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)程序所調(diào)用的虛擬存儲(chǔ)器分配功能本身是不確定性操作。分配共享存儲(chǔ)器所需的時(shí)間依賴于主系統(tǒng)的存儲(chǔ)器容量以及CPU速度、磁盤驅(qū)動(dòng)器性能和存儲(chǔ)器分配的現(xiàn)有狀態(tài)。因此，只能從模塊的Linux內(nèi)核一側(cè)來分配共享存儲(chǔ)器，比如從init_module()或一個(gè)ioctl()請(qǐng)求開始。