基于RTLinux的实时系统性能测试

摘要

实时系统实现了对事件响应和处理的严格时间控制。

实时操作系统分为嵌入式和普通系统两种。大部分的嵌入式系统也需要提供实时响应和控制能力。虽然嵌入式实时系统与普通实时系统的规模，应用，性能及可靠性要求都不同，但是这两种实时操作系统都一般是基于微内核的和模块化的。系统可以在最小规模下工作时，操作系统仅仅提供一些最基本的服务，大量的在一般系统中由操作系统完成的任务由作为应用运行的系统级任务完成。

为了测试实时系统的性能，我们设计了分别在实时环境(RTLinux)与非实时环境(普通Linux)下运行的两个程序，通过他们之间任务执行时间的比较，达到我们测试的目的。

本论文详细阐述了作者在实时环境下的测试，以及与非实时环境下测试的比较。首先，简要的介绍了Linux操作系统，嵌入式操作系统，实时系统以及嵌入式实时系统，这些都是一些相关的信息。其中，对于实时系统（RTOS），我们给出了比较详细的介绍，包括实时系统的定义，分类，结构以及衡量指标等。然后，详细的说明了实时Linux系统---RTLinux,阐述了RTLinux的实现机理，特点，应用等。RTLinux编程是本论文的另一个重点，我们的设计使用的就是RTLinux的API接口。RTLinux编程主要涉及的方面包括模块，线程及其调度，FIFO，中断以及串口API。接下来，是本设计的实现与分析，通过对总体模块以及程序各个模块的分析，解释出总体设计思路，以及一些具体的设计方法，然后是实时与非实时系统测出的数据的比较，实现我们设计的初衷---测试实时系统的性能。最后，在已完成工作的基础上，对设计进行了总结。

ABSTRACT

Real-time system implements the rigid time requirements of task response and handling.

Real-time system can be devide into embedded and ordinary system. Most of the embedded system also require the ability of real-time response and control. Although embedded and ordinary real-time systems have so many differences in size, application, performance and credibility etc.This two systems are both based on micro kernel and modulity. The system can work with minimal resources. The operating system only provides some basic services. Most of the services, that is provided by operating system in ordinary systems, are implemented as system application task.

In ordre to test the performance of read-time system, we designed two progammes which are respectively run in the enviroment of real-time and non real-tiem. Through the comparision of the execution time, we can get the result we want, that is real-time system implements the rigid time requirements.

This thesis elaborates the test in real-time enviroment and the comparision between real-time and non real-time systems. First, I introduce Linux operating system, embedded operating system, real-time system and embedded real-time system. These are all something related to my designation. Among them, I describe the real-time system (RTOS) in detail, including definition, classification, configuration and judging standard. Then, wo elaborated a real-tiem Linux system---RTLinux, includnig implementing methods, characristics, application and so on. RTLinux programming is another focas points of this thesis. I use RTLinux API interfaces to build up my progarmmes. RTLinux programming involves modules, thread and its scheduling, FIFO, interrupts, and serial port API. After that, it is the implementation and analysis of my design. Through the analysis of the overall modules and every modules, I explain my designing mechanism and the concrete designing methods. Then we get the data that is execution time in both real-time and non real-time systems. Via comparision, we can test the performance of the real-time systems. At last, based on the work that I have done, I reach my conclusion.

第一章绪论５

1.1 Linux操作系统·························································································

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1.2 嵌入式操作系统６

1.2.1 嵌入式系统的定义６

1.2.2 嵌入式系统的发展６

1.2.3 嵌入式系统的特点７

1.3 实时系统（RTOS）７

1.3.1 实时系统的定义７

1.3.2 实时系统的分类８

1.3.3 RTOS的结构９

1.3.4 RTOS的基本功能９

1.3.5 实时系统的设计问题９

1.3.6 RTOS的衡量指标１１

1.4 嵌入式实时Linux系统１２第二章实时Linux系统---RTLinux １３

2.1 RTLinux简介１３

2.2 RTLinux的实现１３

2.3 RTLinux的特点１６

2.4 RTLlinux的应用１７

2.5 RTLinux 应用编程接口（API）１８

2.6 RTLinux的调度策略１８第三章 RTLinux编程介绍１９

3.1 简介１９

3.2 程序基本结构２０

3.3RTLinux时钟２０

3.4 实时Linux POSIX线程及调度２２

3.5 使用实时FIFOs２５

3.6 内存共享２６

3.7 中断２７

3.8 浮点运算２９

3.9 RT_COM 串口驱动程序２９

3.9.1 安装２９

3.9.2 接口函数３０

3.9.3 模块装载与卸载３１

3.9.4 数据结构３１

3.9.5 RT_COM模块分析３３第四章程序实现３５

4.1 概述３５

4.2 实现方法阐述３５

4.3 总体代码分析３６

4.3.1 程序总体流程图３６

4.3.2 文件介绍３７

4.3.3 公用常量与数据结构３８

4.4 各模块代码分析４０

4.4.1 服务器端( Server )···································································

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4.4.2 客户端 ( Client )４３

4.4.3 rtopenf模块４５

4.5 数据分析４６第五章总结与展望４７

参考文献４９

致谢错误！未定义书签。

第一章 绪论

1.1 Linux操作系统

Linux是什么？按照 Linux开发者的说法，Linux是一个遵循POSIX 标准的免费操作系统，具有BSD和SYSV的扩展特性（表明其在外表和性能上同常见的UNIX非常想像，但是所有的系统核心代码已经全部被重新编写了）。它的版权所有者是芬兰籍的Linus B. Torvalds 先生和其他开发人员，并且遵循GPL声明（GNU General Public License），Linux内核的所有源代码都是采取开放源代码的方式。

Linux有以下的一些特点：

● 多任务。多任务指的是计算机在同一时间内运行多个应用程序的能

力。例如用户可以一边编译系统核心一边编辑另外一个文件。这对于

用户最大限度的利用计算机资源是很有好处的。UNIX是典型的多任

务系统，Linux也是一个多任务系统。

● 多用户。多用户指的是多个用户在同一时间内使用一台机器。而且

Linux不象某些商业操作系统那样有licenses的限制，在实际应用中，

很多大学的BBS服务器使用的就是Linux，一个普通的BBS站使用

操作系统为Linux的普通微机，同时上线的人数能达到几百。

● 多平台。虽然Linux主要在X86平台上运行，但现在也移植到了其

他的平台上。

● 强大的网络功能。Linux操作系统最突出的是网络部分，基本上所有

的网络协议和网络接口都可以在Linux上找到，Linux内核比标准的

Unix能更加高效地处理网络协议，系统的网络吞吐性能非常好，这

也是为什么Linux在网络服务器市场上占据越来越大市场份额的一

个原因。

● 提供全部源代码。Linux最伟大的一个特性就是它的全部源代码是免

费公开的，这包括整个系统核心，所有的驱动程序，开发工具包以及

所有的应用程序。提供源代码的其中一大好处就是：排错变得容易。

固然公布源代码之后寻找系统漏洞更加容易，但是同样的弥补系统的

漏洞会一样容易，因而系统的健壮性其实要强于大多数的商业操作系

统。

1.2 嵌入式操作系统

在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后PC时代，嵌入式系统已经无处不在了，广泛的渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方面面中。

随着国内外嵌入式产品如车载电脑、机顶盒等等的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。在PC时代，可能有人从来没有接触过计算机；但是在Post-PC时代，他就不可能会接触不到嵌入式系统，因为它可能存在于生活的方方面面，从家里的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的自行车、小汽车，到办公室里的远程会议系统等等，都是使用嵌入式技术开发出来的产品。

新的嵌入式系统产品还将不断涌现出，因而研究开发嵌入式系统的关键技术，对有效的支持国内嵌入式系统产品的开发具有重大意义，是十分必要的。

1.2.1 嵌入式系统的定义

嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

1.2.2 嵌入式系统的发展

用于进行设备控制的计算机，简而言之，即我们所说的嵌入式操作系统，它的出现实际上和计算机本身的出现差不多在同一时期。在通讯方面，嵌入式操作系统在1960年即被用于对电子机械电话交换的控制。

在1970年出现了嵌入式操作系统的概念。但是大部分都用汇编语言写的，而且只能用在它写入的微处理器上。所以当这些微处理器作废时，其中的操作系统也就没有用了，除非把它们写入一个更新的微处理器。然而，C语言的出现却使我们可以有效，稳定的写出一些小型操作系统。用C语言写作操作系统逐渐的成为了一种规范，并一直延续到今天。

在八十年代，出现了好几种商业用的嵌入式操作系统。这些初期的操作系统正是现在的商业用操作系统的前身。如今，已经出现了很多形式各异的商业用操作系统。且其中的一些已经比较成熟，包括VxWorks, pSOS, Neculeus and Windows CE.

如今，随着计算机工业的发展，这些嵌入式系统可以在更小的系统上完成更多的功能。逐渐的，这些嵌入式系统需要与网络相连接，所以需要网络协议栈。

对于一些简单的系统，这将增加系统的复杂性，要求更多的内存，接口与服务。对于那些只有循环控制的简易嵌入式系统而言，加入网络堆栈只会增加复杂度。由此，嵌入式操作系统的优越性则鲜而易见了。

1.2.3 嵌入式系统的特点

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能。

嵌入式系统中一般是没有硬盘的，其实，它本身就不需要。好几种形式的内存组织方式都是可行的。最简单的，Linux运行与闪寸（FLASH memory）中，用闪寸中的一部分区域作为只读文件系统以存储额外的程序和静态数据。Linux 内核可以通过导入代码从FLASH 复制入RAM。或者是，Linux内核存储在FLASH的一个单独的区域中，并直接在此执行。

在嵌入式系统中我们不需要虚拟内存的功能，因为，它可能会引入我们无法控制的定时问题。从CPU的角度来考虑，最好还是不要删除Linux中虚拟内存部分的代码，因为，删除了这部分的代码，还会加入其他的许多工作，只能是得不偿失。这其中还有另外的一个原因，这部分代码支持着共享文档，即允许多个进程共享同一个软件。删除虚拟内存的后果既是，每一个进程都必须包含一个自己的库拷贝，就象printf。

大多数的嵌入式系统并没有文件系统。对于简单的系统而言，这已经足够了，但是，却缺乏灵活性。实际上，文件系统可以存储在传统的磁盘驱动器上，或是FLASH内存，或任何与此有关的介质中。用小型的RAM磁盘来存储临时文件是最合适的。

1.3 实时系统（RTOS）

1.3.1 实时系统的定义

实时系统与其他普通的系统之间的最大的不同之处就是要满足处理与时间的关系。"在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖

于结果产生的时间"。

对于实时系统来说最重要的要求就是实时操作系统必须有满足在一个事先定义好的时间限制中对外部或内部的事件进行响应和处理的能力。这样，实时系统可以定义为"一个能够在事先指定或确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间作出响应的系统"。此外作为实时操作系统还需要有效的中断处理能力来处理异步事件和高效的I/O能力来处理有严格时间限制的数据收发应用。就是:

●系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理离散的事件的能力。

●系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据。

1.3.2 实时系统的分类

由于实时系统在设计时与应用的关系非常强，所以有许多分类的方法。各种分类的侧重点不同。

●方法一是分为周期性的和非周期性的（periodic和aperiodic）。周期性的就是系统通过传感器或其他设备周期性的探测外部环境的变化，在周期内对探测到的变化作出反应。比如化工厂中的反应炉的控制。非周期性的就是外部事件是循环性的发生的但不是有规律的或者是突发事件。比如一架客机飞入一个空中交通管制的管制范围所产生的事件。

●方法二是分为硬实时和软实时（hard real_time和soft realtime）。硬实时系统就是系统必须及时的对事件作出反应，绝对不能发生错过事件处理的deadline 的情况。在硬实时系统中一旦发生了这种情况就意味着巨大的损失和灾难。比如控制核电站的系统，如果没有对堆芯过热作出及时的处理，后果不堪想象。而在软实时系统中，当系统在重负载的情况下允许发生错过deadline的情况而不会造成非常大的危害。比如在通信系统中允许105个电话中有一个接不通。对于软实时系统基于优先级调度的调度算法可以满足要求，提供高速的响应和大的系统吞吐率；而对于硬实时系统则完成timely response是必须的。

这两类系统的区别在于调度算法。另外还可以分为专用系统和开放系统；以及集中式系统和分布式系统。

1.3.3 RTOS的结构

RTOS结构包括以下几个部分：

●硬件抽象层、初始化代码、硬件驱动DRIVERS，进行基本的硬件设备管理

●RTOS Kernel支持多线程

●提供Monitor,Debugger Agent等工具方便调试

●提供定制网络（NET）,文件系统（FILE）,图象系统（GRAPH）,视频及多媒体软件包（TV）等，方便嵌入式系统的开发工作。

1.3.4 RTOS的基本功能

RTOS最关键的部分是实时多任务内核,它的基本功能包括：

●任务管理：多任务和基于优先级的任务调度；

●定时器管理：系统的实时时钟服务，以及各个定时任务的调入等；

●存储器管理：管理系统的内存资源，如DRAM,ROM,FLASHRAM等；

●资源管理：管理系统的各种资源如系统的各种设备，端口，中断等；

●事件和消息管理：管理各种系统级的事件，如实时中断响应，各种异常等；任务间同步和通信（信号量和邮箱等）以及各种系统消息和应用程序之间的通讯；

这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的,也就是RTOS的系统调用，用户可以使用这些API开发他们所需要的专用的嵌入式系统应用程序。RTOS的引入,解决了嵌入式软件开发标准化的难题。基于RTOS开发出的程序,具有较高的可移植性,实现90%以上的设备独立,一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会。

1.3.5 实时系统的设计问题

由于上述的关于实时系统的应用有关的特点，导致在实时系统的设计时面临着与原来的通用系统所大大不同的考虑因素。

首先在实时系统中最基本的是系统应该能够提供对时间正确性进行指定的方法。也就是在实时系统中不管是用户还是开发人员都需要系统提供一种指定时间尺度的方法。比如在有的实时系统中指定每隔一段时间就运行一段程序，或者是提供指定程序必须在某个时间点之前完成的方法等等。在实时系统中这是最最

基本的要求。这时通用系统中的功能就完全的不适用了。例如UNIX和许多类似的通用系统中都提供一种延时的手段，但这种方法在实时系统中就无法达到要求，因为这种延时手段无法保证应用能够在deadline之前完成计算。

第二是实时操作系统的设计或选用。在现代的时系统当中一般都有实时操作系统的存在。因为操作系统使系统的设计更加的简便，保证系统的质量以及能够提供其他通用操作系统所提供的服务。这样实时的操作系统就面临着更高的设计要求。

第三是实时系统的体系结构设计。实时系统的体系结构必须满足：

●高运算速度

●高速的中断处理

●高的I/O吞吐率

●合理的处理器和I/O设备的拓扑连接

●高速可靠的和有时间约束的通信

●体系结构支持的出错处理，

●体系结构支持的调度，

●体系结构支持的操作系统，

●体系结构支持的实时语言特性。

另外由于实时系统很多应用于一些关键性的场合系统的稳定性和容错也非常重要还有实时系统很多在自然的形态上有分布式的特点，所以还要考虑到实时的分布式应用。

此外实时的通信也是实时系统的一大要求，很显然在分布式实时系统中实时的通信是最基本的。实时通信必须满足：

●逻辑正确

●要有确定的延迟时间（或通信延时时间的上限）其中包括建立通信的延迟和消息传递的延时。

以上是系统设计时的要点问题。还有从计算机科学角度出发实时系统必须解决： ●时间特性的指定和确正，这点与实际系统设计相同。

●实时的调度理论。由于实时系统应用的特殊性以往通用系统中以大吞吐量为目标的调度算法必须改进以适应实时应用的需要。主要要求是满足时间的正确性，然后提供高度动态的，满足在线需求的，适应性的实时调度。

●实时操作系统的设计和实现。在设计上首要目标是提供保证实时性的方法，包括一系列的经典问题的针对实时系统的解决方案。实现上要求操作系统的低开销，而且必须保证内核以及其他关键的可重入性。

●实时的编程语言和设计方法。在编程语言级完成或提供实时应用所需要的方法。比如象Ada语言，FORTH语言。

●分布式的实时数据库。

●系统的容错。

●实时时钟的同步。

●实时系统中的人工智能。

作为实时系统其特性决定了传统的性能衡量标准对其是不适用的。对传统的通用系统的要求是大的系统吞吐量，合理的响应速度，对每个系统用户相对公平的进行计算资源的分配。然而在实时系统中，以上这些要求都不再适用或者是不再占重要位置。再实时系统中系统的一切动作都以实时任务为中心。实时的数据吞吐取代了以吞吐量为目标的标准。对硬实时应用的优先响应取代了对每个用户的恰当的反应速度。系统的计算资源和其他外设资源必须优先满足实时应用的要求。

针对实时系统新的要求，必须以实时的进程调度在实时操作系统中是一个关键性的问题。实时操作系统的实时进程调度的根本要求是保证实时任务的时间正确性。此外实时操作系统的进程调度算法必须保证系统是可以事先定义的和易维护的。实时任务的时间正确性以实时任务是否能够总是满足deadline为标准。前面提到过实时系统的类型可以分为periodic和aperiodic（周期性和非周期性），实时操作系统的调度理论就是按照这个分类来考虑的

1.3.6 RTOS的衡量指标

衡量RTOS的性能有多种指标，主要有：

●系统响应时间(System response time )：系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间;

●任务切换时间(Context-switching time):任务之间切换而使用的时间;

●中断延迟(Interrupt latency time ) :是计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成换道转入中断服务程序的时间;

由于标准的Linux系统是面向传统工作站的而编写的多任务操作系统，它不具有实时功能，而大部分的嵌入式系统则需要提供实时相应和控制能力。为了能够使Linux胜任嵌入式领域的工作，有必要把Linux改造成一个实时系统。实际上，已经有许多的项目组正在从事该方面的研究工作，而RTLinux和KURT-Linux 则是其中比较成功的两个。我们在下一章，将具体的介绍RTLinux.

1.4 嵌入式实时Linux系统

嵌入式实时Linux系统要解决两个方面的问题，一个是实时性，另一个就是嵌入式系统。

Linux本身并不是一个实时系统，若需要实时响应的话，可以使用一些已有的实时系统，例如RTLinux等。嵌入式实时Linux系统可以以RTLinux为核心，通过适当地改造核心功能模块以及文件系统来满足各种嵌入式系统的实时要求。

而要满足嵌入式的要求，我们需要解决以下的问题：

首先，Linux系统中，系统的运行是依靠硬盘的，应用程序通常放在硬盘上，而嵌入式系统则通常没有硬盘，我们有两个可选择的解决方法：

● 系统启动时，内核及所有的应用进程都贮存进内存中。这是许多传统

的嵌入式系统的工作方式；

● 因为Linux可以装载及卸载程序，嵌入式系统可以利用Linux的这两

种功能来动态加载模块，最大限度地利用有限的RAM空间。

另外，标准Linux的一个主要特征就是虚拟内存功能。然而，在嵌入式系

统中我们并不需要虚拟内存的功能，因为，它可能会引入我们无法控制的时间因素。从CPU的角度来考虑，最好不要删除Linux中虚拟内存部分的代码.因为删除了这部分的代码，还会加入其他的许多工作，只能是得不偿失。这其中还有另外的一个原因，这部分代码支持着共享文档，即允许多个进程共享同一个软件。删除虚拟内存的后果既是，每一个进程都必须包含一个自己的库拷贝，就象printf。在嵌入式系统中，可以通过将SWAP空间大小设为0，去除虚拟内存的页面调度功能。

大多数的嵌入式系统并没有硬盘空间或是文件系统。对于一个简单的嵌入式系统来说，可以将系统包括应用程序以及所需要使用的数据都编译好在一个做成系统运行的核心映象，在系统启动的时候全部载入，但是这种系统缺乏灵活性。实际上，你可以发现，许多商业用嵌入式系统，都以可选择的方式提供文件系统。其中的大多数都是专有的文件系统或MS-DOS兼容的文件系统。

第二章实时Linux系统---RTLinux

2.1 RTLinux简介

RTLinux是Linux的硬实时变种，是Linux的改进和提高，它可以处理时间紧急的任务。它是由Victor Yodaiken构想，由Victor Yodaiken和Michael Barabanov 实现的。继承了Linux的一贯传统，RTLlinux对公众也是开放源代码的。

实时Linux（RTLinux）是Linux的一个扩展版本，它提供硬实时能力。RTLinux 已经被用在视频编辑上，PBXs上，机器人控制上，机器工具上，甚至用来停止和启动用在医学实验上的人造心脏。

RTLinux提供了运行特殊实时任务和类似于标准Linux中的中断处理程序的能力。不管Linux在做什么，当需要执行这些任务和中断处理程序时，它们必须被执行。当RTLinux在x86类机器上运行时，在最坏情况下，从处理器检测到硬件中断到处理程序开始执行时之间的时间差在15微秒以内。在相同的硬件上，一个RTLinux周期性任务必须在它的调度时间里的35微秒内运行。这些参数是受硬件条件限制的，当硬件改进了，RTLinux也会提高这些性能参数的。但是，标准Linux花费要600微秒来启动一个中断处理程序，对一个周期性任务（例如使用sched_setsched进程）来说，也能很容易地迟20多毫秒（20，000微秒）来启动该任务。WINDOWS NT在数值本质上和标准Linux的数值是相同的。而Windows 98上升到140毫秒，对一个周期任务来说是太慢了。

使RTLinux有用的是它把标准UNIX编程环境扩展到了实时方面问题。RTLinux的实时中断处理程序和任务能连接到普通的Linux进程，既可以通过Linux进程读写数据的设备接口，也可以通过共享内存。一个标准Linux进程也许是执行一个脚本或一个PERL程序，能从一个实时处理程序或任务中收集数据，进行或记录它，并在X-WINDOW中显示结果。从一台普通PC机使用一个PERL脚本来控制实时设备看起来是可能荒谬的，但是它工作起来却惊人地好。

2.2 RTLinux的实现

RTLinux是在Linux内核与一个小的实时内核并存的操作系统。目的是为了，允许在可预测与低延迟的环境中实现实时功能的同时，利用标准时间共享计算机

系统中的复杂功能与高度优化的平均情况下行为。

曾经，实时操作系统非常简单，只是提供一些库函数。但现在的实时应用却有了更多的要求，比如说要能够连接TCP/IP，图象显示以及WINDOWS系统，文件和数据库系统，以及其他一些并非简单的操作。一个解决方法就是将这些非实时的服务加到实时内核。另一个解决方法是修改标准内核使其成为完全可抢断式。RTLinux使用的是另外一种解决方式。RTLinux把Linux操作系统内核当作一个在小型实时操作系统下运行的一个任务。实际上，Linux是RTLinux的一个空闲任务，仅当没有实时任务要运行时才执行。Linux任务从来不能阻塞中断，或阻止它自己被抢占。

大约在20年前，在贝尔实验室的研究者们建立了一个实验性的操作系统，叫做“MERT”，这个操作系统将既运行实时程序，也能运行普通的应用程序。但是代替尽量使一个能支持两的操作系统的是，MERTS设计者们尽量制造这样的一个系统：在这个系统里，实时操作系统和一般目的（分时）操作系统工作在一起。设计者们这样写到：

...在相同的机器里，一个高级的分时系统的可用性就像实时操作系统提供了强有力的工具，这些工具能被用来设计实时进程的人机界面。

那就是说，MERT的设计者声明，通过将实时操作系统从非实时操作系统中分离出来，他们能做到允许应用程序开发人员使用非实时的操作系统的服务。

RTLinux通过对中断控制硬件的软件模仿来达到这个目标。当Linux让硬件使中断无效时，实时系统将阻止这个请求，记录它，然后返回到Linux。Linux 不允许去真正地禁止中断。无论Linux在什么状态，它不可能延迟实时中断响应时间。当一个中断到达时，RTLlinux内核截获这个中断，然后决定该怎么做。如果有这个中断实时处理程序的话，那么这个处理程序被调用。如果没有这个实时处理程序，或者，如果那个处理程序表明它想和Linux共享中断，这个中断将被标记为等候处理状态。如果Linux请求响应中断，那么所有的在等候处理状态的中断参与竞争，然后相应的Linux的中断处理程序被调用。

这样无论Linux做什么，不管Linux是否在核心态下运行或在运行一个用户进程，不管Linux是否将禁止中断或起用中断，也不管Linux是否在被锁住了，实时系统总是能响应中断。下图显示了RTLinux的结构：

实际上，RTLinux的设计证明是非常成功的。他在486/33Mhz PC上的最坏中断延迟在30微秒以下，已经和硬件的限制非常接近了。很多的应用都得利于实时系统与优化的标准操作系统的平均响应。比如说，一个数据获取系统通常由两部分组成，一个是中断驱动的实时进程，将数据从一个队列发送到Linux进程，这个Linux进程则进行记录与显示。这样，由Linux执行的I/O缓存，保证了好的平均响应性能；而同时实时进程又满足了严格的时间限制。

RTLinux被设计成实时内核，从来不用等待Linux释放资源。实时内核不要求内存，不要求共享旋转锁（SPIN-LOCKS），也不要求和任何数据结构同步――除了在控制得很紧的情况下。例如，在实时这边，用来在实时任务和Linux进程之间移动数据的通讯连接是非阻塞的：实时任务在等待进队列和出队列的数据是不可能发生的。

当然，对一个实时系统来说，不能和任何非实时系统通讯并没有好处，因此RTLinux提供了共享内存（这是一种立刻可以使用的简单的方法）和让Linux进程读和写实时任务的设备接口。RTLinux的关键设计规则中的一条是在Linux中做得越多――那么在实时这边做得就越少――这样是最好的。Linux则关心系统和设备的初始化，和任何阻塞动态资源的分配。设备初始化可以在启动时刻，因此不需要涉及实时系统。阻塞动态资源的分配留给了Linux。当没有可用资源时，被阻塞的任何执行的线程不能有硬实时强制力。例如，对一个实时任务来说，调

用malloc或kmalloc或任何其它内存分配程序是不可能的。如果任务没有静态的分配内存，它将不能访问内存。最后，RTLinux依靠Linux的可装入内核模块机制来装入实时系统的组件，来使实时系统模块化和可扩展的。装入一个实时模块并不是一个实时操作，而且它也可以安全地留给Linux。实时内核的工作是提供给实时任务对原硬件的直接访问，当它们需要它时，这样就会有最小的延迟和最大的进程时间。

2.3 RTLinux的特点

RTLlinux 是一个运行Linux的可执行程序.这个程序有几个主要标志：

(1) 小而且实时。

RTLlinux引进了一个小的，实时的执行程序，它将运行Linux操作系统作 为它的一个任务――实际上，是作为它的具有最低优先权的任务。就这样，Linux 被改造成完全是抢占式了。然后这个执行程序提供综合服务给它的用户----指定的实时任务。那些服务的功能，行为和相互作用由RTLlinux的能力和特殊的设备提供。那些能力和设备如下：

●相对的任务优先权的指定。

●作为Linux可装载模块的用户实时任务的收编（incorprating）。

●实时任务的周期性（periodictiy）。

●任务之间的通讯（或者IPC，进程之间的通讯）。

●用户自定义的IPC的处理程序。

用户自定义的执行调度模块。

(2) RTLlinux保留了Linux的功能，本质部分没动过

这是为了以下目的：

●提供所有现代操作系统和环境的方便和强大功能：网络服务，GUI，开发工具和标准的编程环境。

●利用Linux和Linux工具的快速发展。因为Linux操作系统在RTLlinux 里几乎不改变，RTLlinux能相对比较容易的移植到Linux的新版本中。

(3) RTLinux不能为服务提供系统调用

实时（RTLlinux）和非实时（Linux）方面把严重的限制给实时任务：实时

任务不能为服务提供系统调用。它们必须和Linux任务交流，然后那些Linux 任务进行调用系统服务。IPC有两种方式对实时任务来说是开放的：

写/读内存。既然实时任务共享核心内存，它们就能通过内存来通讯.然而，它们这样做时并没有利用同步原语和高层次的数据结构的好处。

实时FIFO，一种具有特殊属性的管道。读/写同步是不可见的，处理程序可以被附加到FIFOs去，并且后来的FIFO管理保证不干扰FIFOs的实时访问。

这两种通信的方式在以下会进行具体的介绍。

(4) 实时任务可以控制CPU

在另一方面，在RTLlinux的执行和普通操作系统的分离也给了实时任务许多原动力:因为它们对Linux的统治权，实时任务有使系统超载直到冻结Linux的权力。这个权力是天生就有的，因为根据期限原理，实时任务必须这个功能。因此应用程序的编程人员必须将安全检测加到实时任务里。

(5) 实时任务是Linux的核心任务

实时任务是Linux的核心任务。这是必须的，也是有益的，原因如下：

●实时任务有核心权限，因此可以直接访问硬件。

●实时任务可以是Linux的可装载模块，因此很容易装进一个正在运行的系统。

●实时任务共享内核空间，用来节约上下文切换的时间。

●实时任务不被页替换出内存（由于内存访问要占用不可预测的时间）。

2.4 RTLlinux的应用

考虑到RTLlinux的实时和非实时的双重性，RTLlinux的应用应当包含两部分也是很自然的，这两部分如下：

●实时任务。在可装入模块形式下，它的数量是有限的。

●Linux任务。它关心数据的记录，网络的访问，任何其它包含制造系统调用的活动，或者由于它们的复杂性，在一个实时任务到了期限时，和它的能力相妥协的活动。

2.5 RTLinux 应用编程接口（API）

RTLinux API包括的函数是用来：

●任务的初始化和删除。

●任务调度和控制。

●fifo声明和使用。

●调度时间安排。

●浮点。

2.6 RTLinux的调度策略

RTLinux是非常面向模块化的。为了使用RTLinux，你可以装入一个能实现任何你需要的实时能力的模块。核心模块中的两个是调度程序和实现RT-FIFOS 的模块（这两个模块将在第六部分详细分析）。如果被这些模块提供的服务没有满足应用程序的要求，它们可以被另外的模块代替。例如，有两个可选择的调度模块----“最早期限优先”调度程序和由ISMAEL RIPPOL实现和单速调度程序，由OLEG SUBBOTIN（在https://www.360docs.net/doc/3411553459.html,网页中可以看到）实现。这个基本的调度程序仅仅运行准备好的高优先级实时任务，直到任务被它自己挂起，或者，直到一个更高优先级的任务准备好了。

最初的RTLinux调度程序（是由MICHAEL BARABANOV写的）用“一次性（One Shot）”模式下使用定时器，以便它能容易的处理由普通的时间间隔比较小的任务集。例如，如果一个任务必须在每隔331单位时间运行，而其它任务是在每隔1027时间单位运行，则没有比在One Shot模式下使用定时器还有有更好的选择。在一次性模式下（One Shot），时钟将先被设成在331个单位时间后产生中断然后，在中断产生后重新写程序，使第二个中断在另691个单位时间后产生（减去重设时钟所需的时间）。我们所费的代价是我们在每个中断后重设时钟。对x86类母板，重设时钟相对来讲是慢的。然而，它表明，许多应用程序不需要一次性定时器的概说，可以避免重设的麻烦。太空工程系的PAOLO MANTEGAZZA教授写了一个调度程序，演示了周期（periodic）模式的有用性，并鼓励我们把它放到标准的调度程序中去。当前的RTLinux调度程序既提供了周期性的模式也提供了一次性模式。在单处理器系统，这个问题变得简单，因为有可以提供附在处理器上得高频率的定时器给RTLinux系统。

第三章 RTLinux编程介绍

3.1 简介

实时Linux是能和Linux操作系统并存在同一台计算机上的硬实时操作系统。有了实时Linux，使建立在精确指定时刻运行的实时POSIX.1b线程成为可能。

RTLinux的第一版本运行于低速的X86计算机，提供了一个并不灵活的API 以及编程环境。而设计中用到的RTLinux第二版本经过重新设计，可以支持对称多进程，运行环境也没有那么多的限制，并提供了较好的编程接口。

RTLinux可以在装有Linux的机子上，运行特殊的实时任务以及中断处理。当有实时任务或实时中断时，不论Linux在做什么，这些任务和中断都会执行。

RTLinux的第二版本由一个小的核心模块与一系列的可选择模块组成，其中包括：

● 核心模块控制低延迟中断处理程序的安装，底层同步以及中断控制例

程，其中Linux不能延迟或抢断中断处理程序。核心模块同时支持SMP，

对于一些可以在核心以外加载的功能，也被移出了核心。

● 其实，RTLinux最重要的功能都是通过它的可装载模块实现的，这些

模块各自提供了不同的功能。其中包括：

1．rtl_sched 优先级调度程序，支持“lite POSIX”接口，以及RTLinux VERSION1的API接口

2．rtl_time 控制进程时钟，同时为用户提供时钟接口函数

3．rtl_posixio 提供设备驱动程序的POSIX形式的 read/write/open 接口

4．rtl_fifo 实现实时任务，中断处理函数与普通Linux之间的通信

5．semaphore 提供阻塞式信号量（ Jerry Epplin ）

6．mbuff 共享内存，实现实时模块与Linux进程间通信，和rt_fifo的功能类似，由Tomasz Motylewski 提供

其中前四个模块在启动了RTLinux之后，在RTLinux的目录中键入命令./insmod 即实现加载，目录中另一个命令./rmmod用于卸载，只有在这些模块加载之后，

RTLinux相应的接口函数才能够被我们所使用。

另外，在本设计中，还用到了另一个模块，rt_com,这个模块实现串口通信的接口函数，这个模块在后面会介绍。

RTLinux设计的核心思想是实现系统的：透明化，模块化以及可扩展性。透明化是指任何操作都要有可预测性。模块化制如果某个功能不需要，那这么功能的开销也是可忽略的。可扩展性指程序设计者可以根据自己的需要加载或卸载模块。如上所述，RTLinux的优先级调度程序应该可以很轻易的被更适合某个特殊应用的模块所替代。

用户编写的应用程序也是通过模块加载的方式运行的。同时要注意，RTL的实时程序是在内核空间执行的，实时任务编程时必须特别小心。编程错误可能很容易地导致系统崩溃。RTL的以后版本将提供在用户空间调试实时线程，然后在转换倒硬实时模式。

3.2 程序基本结构

实时Linux的版本支持以Linux模块的形式装入实时程序。Linux模块源文件是标准C语言文件，用一对init/cleanup函数来代替main()函数。

●int init_module( void )

当模块装到内核中时，这个函数被调用。它应当返回0，如果失败，将返回一个负数。

●void cleanup_module( void )

当模块被卸载的时候，这个函数被调用。

用insmod(1)命令，将编译过的模块被装到内核,用rmmod (1)命令卸载模块。

3.3 RTLinux时钟

实时Linux提供了一系列时钟，可以用来作为线程调度的参考。

● clock_gettime