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　　RTLinux(RealTime Linux)[1]是一種基于Linux的實時操作系統,是由FSMLabs公司(Finite State Machine Labs Inc.)推出的與Linux操作系統共存的硬實時操作系統。它能夠創建精確運行的符合POSIX.1b標準的實時進程;并且作為一種遵循GPL v2協議的開放軟件,可以在GPL v2協議許可范圍內自由地、免費地使用、修改和再發行。本文介紹了RTLinux的特點及功能,并結合一個實時處理的具體實例對其編程方法加以說明。

　　1 RTLinux的特點

　　在Linux操作系統中,調度算法(基于最大吞吐量準則)、設備驅動、不可中斷的系統調用、中斷屏蔽以及虛擬內存的使用等因素,都會導致系統在時間上的不可預測性,決定了Linux操作系統不能處理硬實時任務。RTLinux為避免這些問題,在Linux內核與硬件之間增加了一個虛擬層(通常稱作虛擬機),構筑了一個小的、時間上可預測的、與Linux內核分開的實時內核,使得在其中運行的實時進程滿足硬實時性。并且RTLinux和Linux構成一個完備的整體,能夠完成既包括實時部分又包括非實時部分的復雜任務。

　　1.1 硬實時性

　　RTLinux將Linux源碼中所有的cli、sti、iret指令分別用宏S_CLI、S_STI、 S_IRET替換,引入的虛擬層將截取所有的硬件中斷,分割Linux系統與硬件中斷之間的直接聯系。當RTLinux虛擬層接收到與實時處理有關的硬件中斷時,立即啟動執行相應的實時中斷服務程序;而接收到與實時處理無關的中斷時,先保存相應的信息,等到RTLinux內核空閑時通過軟中斷傳遞給Linux內核去處理,這樣就使得RTLinux內核不受各種軟、硬件中斷的影響,不會造成時間上的不可預測性。同時又區別于其他的實時處理方案,它并未對操作系統的內核作結構性的修改,因此并不會妨礙Linux操作系統的進一步發展和變化。

　　Linux采用基于最大吞吐量準則的調度策略,并不能確保各個實時進程的及時調度。而RTLinux在缺省情況下采用優先級的調度策略,即系統調度器根據各個實時任務的優先級來確定執行的先后次序。優先級高的先執行,優先級低的后執行,這樣就保證了實時進程的迅速調度。同時RTLinux也支持其它的調度策略,如最短時限最先調度(EDP)、確定周期調度(RM)(周期短的實時任務具有高的優先級)。RTLinux將任務調度器本身設計成一個可裝載的內核模塊,用戶可以根據自己的實際需要,編寫適合自己的調度算法。

　　操作系統精確的定時機制,可以提高任務調度器的效率,但增加了CPU處理定時中斷的時間開銷。RTLinux采用一種折衷的方案,不將8354定時器設計成10毫秒產生一次定時中斷的固定模式,而是根據最近事件(進程)的時間需要,不斷調整定時器的定時間隔。這樣既可以提供高精度的時間值,又避免過多增加CPU處理定時中斷的時間開銷。RTLinux系統同時將各時間間隔相加,保持一個系統全局時間變量,并使用軟中斷的方式來模擬傳統的100Hz定時中斷,將其傳遞給Linux系統使用。

　　1.2 完備性

　　過去,實時操作系統僅是一組原始的、簡單的可執行程序,它所做的僅僅是向應用程序提供一個程序庫。但如今,實時應用程序通常要求能夠支持TCP/IP、圖形顯示、文件和數據庫系統及其它復雜的服務。為了滿足當今實時應用程序的多種需求,通常采用在實時控制內核上增加這些服務或完全修改標準操作系統內核的方法,而RTLinux所采用的是一種新型高效的方式。將一個簡單的小型實時內核與Linux內核共存,用簡單的小型實時內核處理實時任務,將非實時任務交給Linux內核去處理,而Linux內核本身也作為一個RTLinux實時內核在空閑時運行的進程。這種將實時系統和平均時間優化的標準Linux操作系統協同工作的方式,使得許多實時應用都顯示出一種增效。實時內核中的實時任務可以直接訪問硬件,不使用虛擬內存,給實時進程提供了很大的靈活性;運行在Linux用戶空間中的非實時任務,可以方便地使用系統提供的各種資源(網絡、文件系統等),并受到系統的保護,增加了系統的安全性。

　　2 RTLinux的主要功能

　　RTLinux提供了一整套對硬實時進程的支持函數集。在此,僅對在嵌入式系統中最重要的三個方面:進程間的通訊、中斷和硬件設備的訪問以及線程間的同步加以闡述。