近年來，基于PC的嵌入式系統得到迅速的發展。在各種不同的操作系統中，由于Linux操作系統的廉價、源代碼的開放性以及系統的穩定性，使其在基于PC的嵌入式系統中的應用日益廣泛。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。

2.1 進程間的通信（IPC）

RTLinux要求將應用程序分成實時部分和非實時部分。應用程序的實時部分應該是簡單的和輕負荷的，在RTLinux的實時內核中完成;而非 實時部分，在Linux的用戶空間完成。因此RTLinux提過了多種內核實時進程和Linux用戶空間進程間的通訊機制，最重要的是實時FIFO和共享 內存。

實時FIFO是能夠被內核實時進程和Linux用戶空間進程訪問的快進快出隊列，是一種單向的通訊機制，可以通過兩路實時FIFO構成雙向的數據交換方式。在使用實時FIFO前先要對實時FIFO通道初始化：

在初始化實時FIFO通道后，RTLinux內核的實時進程和Linux用戶空間的進程都可以使用標準的POSIX函數open、read、 write和close等對實時FIFO通道進行訪問。內核實時進程還可以使用RTLinux的專有函數rtf_put和rtf_get對實時FIFO通 道進行讀寫。

RTLinux共享內存由mbuff.o模塊支持，可以使用下面的函數分配和釋放共享內存塊：

#include

void *mbuff_alloc（const char *name， int size）

void mbuff_free（const char *name， void *mbuf）

函數mbuff_alloc有兩個參數，共享內存名name和共享內存塊的大小size。如果指定的內存共享名并不存在，分配成功時返回共享內 存指針，訪問計數置為1，分配失敗時返回空指針;如果指定的內存共享名已經存在，返回該塊共享內存的指針，并將訪問計數值直接加1。函數 mbuff_free將該塊共享內存的訪問計數值減1，當計數值為0時，該共享內存被釋放。在實時內核模塊中使用該函數時，應該將函數 mbuff_alloc和 mbuff_free分別放在init_module 和cleanup_module模塊之中。

2.2 中斷和訪問硬件

硬中斷（實時中斷）具有最低的延時，在系統內核中只有少數的實時進程使用。函數rtl_request_irq和rtl_free_irq用于安裝和卸載指定硬件中斷的中斷服務程序。

#include

int rtl_request_irq（unsigned int irq， unsigned int

（*handler） （unsigned int， struct pt_regs *））

int rtl_free_irq（unsigned int irq）

中斷驅動的線程可以使用喚醒和掛起函數：

int pthread_wakeup_np（pthread_t thread）

int pthread_suspend_np（void）

一個中斷驅動的線程可以調用函數pthread_suspend_np（pthread_self（））阻塞自身線程的執行，然后由中斷服務函 數調用函數pthread_wakeup_np喚醒該線程的執行，直到此線程再次調用函數 pthread_suspend_np（pthread_self（））將自身掛起。

軟中斷是Linux內核常常使用的中斷，它能夠更安全地調用系統函數。無論如何，對于許多任務來說并不能提供硬實時性能，將會導致一定的延時。

int rtl_get_soft_irq（void （*handler）（int， void*， struct pt_regs *）， const char* devname）分配一個虛中斷并安裝中斷處理函數;void rtl_global_pend_irq（int ix） 激活虛中斷;void rtl_free_soft_irq（unsigned int irq） 釋放分配的虛中斷。

RTLinux與Linux一樣通過/dev/mem設備訪問物理內存，具體由模塊 rtl_posixio.o 提供此項功能。首先應用程序應該打開/dev/mem設備，通過函數mmap對某段物理內存進行映射后，即可使用映射后的地址訪問該段物理內存。應用程序 只能在Linux進程中（即在應用程序的init_module（）模塊中）調用mmap，在實時進程中調用mmap將會失敗。另一種訪問物理內存的方法 是通過Linux的函數ioremap［2］。RTLinux 訪問I/O端口的函數如下（對于x86結構）：

輸出一個字節到端口：

#include

void outb（unsigned int value， unsigned short port）

void outb_p（unsigned int value， unsigned short port）

輸出一個字到端口：

#include

void outw（unsigned int value， unsigned short port）

void outw_p（unsigned int value， unsigned short port）

從端口讀一個字節：

#include

char inb（unsigned short port）

char inb_p（unsigned short port）

從端口讀一個字：

#include

short inw（unsigned short port）

short inw_p（unsigned short port）

其中帶后綴_p的函數使讀寫端口時有一個小的延時，這在快速的計算機訪問慢速的ISA設備時是必需的。

2.3 線程同步

當多個實時線程需要訪問共享資源時，如果沒有一種同步機制，將破壞共享資源中數據的完整性。RTLinux提供一種簡單的加鎖方法mutex來 控制對共享資源的存取，并支持POSIX的pthread_mutex_ family函數組［3］。目前有以下函數可以使用：

pthread_mutexattr_getpshared //得到指定屬性線程共享屬性值;

pthread_mutexattr_setpshared //設置指定屬性線程共享屬性值;

pthread_mutexattr_init //初始化mutex的屬性;

pthread_mutexattr_destroy //刪除mutex的屬性;

pthread_mutexattr_settype //設置mutex信號的類型;

pthread_mutexattr_gettype //得到mutex信號的類型;

pthread_mutex_init //按指定的屬性初始化mutex;

pthread_mutex_destroy //刪除給定的mutex;

pthread_mutex_lock //鎖定mutex，如果mutex已被鎖定，阻塞當前線程直到解鎖;

pthread_mutex_trylock //鎖定mutex，如果mutex已被鎖定，函數立即返回;

pthread_mutex_unlock //解鎖mutex;

互斥信號類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL （default POSIX mutexes）和PTHREAD_MUTEX_SPINLOCK （spinlocks）

3 RTLinux的編程實例分析

下面結合一個具體的程序parport.c［4］，對RTLinux的編程特點加以說明。程序parport.c中的實時線程在并口的2、3腳 （并口的數據D0和D1）上周期輸出信號1，而對應硬件中斷7的實時中斷服務程序將在并口的2、3腳輸出信號0。連接并口的2腳和10腳（并口的確認信號 線，對應于計算機的硬件中斷7），則可在并口的2、3腳上產生一個方波信號。parport.c源程序如下：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

pthread_t thread;

unsigned int intr_handler（unsigned int irq，struct pt_regs *regs）{//中斷服務函數

outb（0， 0x378）; //輸出字節0到并口數據線

rtl_hard_enable_irq（7）; //使能硬件中斷7

return 0;

}

void * start_routine（void *arg）{ //實時線程

struct sched_param p; //定義實時線程控制參數的數據結構

p. sched_priority = 1; //設置優先級為1

pthread_setschedparam （pthread_self（）， SCHED_FIFO， &p）;//設置實時線程的控制參數

pthread_make_periodic_np（pthread_self（），gethrtime（），100000）;//啟動周期為10ns的實時線程

while （1）{

pthread_wait_np（）; //實時線程掛起

outb（3， 0x378）; //實時線程周期執行，輸出3到并口數據線

}

return 0;

}

int init_module（void） {//初始化模塊

int status;

rtl_irqstate_t f;

rtl_no_interrupts（f）; //保存當前的中斷狀態標志到變量f，并禁止中斷

status=rtl_request_irq（7， intr_handler）; //設置硬件中斷7的處理程序

rtl_printf（″rtl_request_irq： %dn″， status）; //輸出的控制臺

outb_p（inb_p（0x37A） | 0x10， 0x37A）; //使能并口中斷（硬件上）

rtl_hard_enable_irq（7）;//使能中斷7（軟件上）

rtl_restore_interrupts（f）; //按照變量f恢復當前的中斷狀態標志，并使能中斷

return pthread_create （&thread， NULL， start_routine， 0）;//創建實時進程thread

}

void cleanup_module（void） { //清除模塊

rtl_free_irq（7）; //禁止中斷7

pthread_delete_np （thread）; //刪除實時進程thread

}

程序parport.c的make文件如下：

all： parport.o

include rtl.mk

clean：

rm -f *.o

按照如下命令對程序進行編譯：

make

運行程序可采用以下命令：

modprobe rtl_sched //調入所需的處理模塊

insmod parport.o //調入parport.o模塊

連接并口的2腳和10腳，即可通過示波器在并口的3腳上觀測到輸出的方波信號。

可以看到，RTLinux的實時程序被編寫成可加載的Linux內核模塊，它能被動態地加入內存，不能執行Linux系統調用，模塊的初始化代碼對實時任務的結構作初始化，把實時任務的時限、周期和釋放時間等實時參數傳遞給RTLinux。

通過對Linux最小的改動，提供一種可靠且廉價的硬實時操作系統RTLinux。RTLinux開發者可以充分利用Linux提供的各種方便 來編寫任務的非實時部分，加速自己的任務進度。

責任編輯：gt