作者：中國科學院研究生院 崔珂 中國科學技術大學 陳偉
對嵌入式Linux進行實時性改進是嵌入式操作系統領域的一個研究熱點。本文在分析了現有嵌入式操作系統實時性不足的基礎上，提出了一種新型的改進方案(將RTAI和uClinux相結合)，並給出具體的工控應用實例，進一步對這種系統的功能進行有效驗證。
圖1 雙內核實時系統嵌入式實時Linux架構
嵌入式Linux以代碼開放、價格低廉、功能強大又易於移植的特性正在被廣泛應用，為嵌入式操作系統提供了一個極具吸引力的選擇。但許多實際應用，譬如多媒體通信、生產過程式控制制、在線事務處理等等都要求對外部事件在限定的時間內做出反應。因而嵌入式系統實時性問題越來越受到關注，對嵌入式Linux進行實時性改進也成為嵌入式操作系統領域的一個研究熱點。
本文提出了一種基於uClinux的嵌入式實時操作系統方案。將RTAI和uClinux相結合，既滿足了嵌入式應用的需求，同時又保證了系統的硬實時性。此外，還有強大的網路功能、易升級性、易移植性等優點。最後結合基於這一操作系統開發的重大裝備遠程監控系統的應用案例，進一步從功能和性能上對其進行驗證。
現有嵌入式操作系統應用中存在的問題
一個優秀的嵌入式操作系統是嵌入式系統成功的關鍵。它除了具備一般操作系統最基本的功能，如任務調度、同步機制、中斷處理、文件功能等，還需要具有以下特點：
1. 更好的硬體適應性，也就是良好的移植性；
2. 佔有更少的硬體資源；
3. 高可靠性；
4. 提供強大的網路功能，支持TCP/IP協議及其他協議；
5. 有些應用要求具有實時性能。
現有的嵌入式操作系統大致可分為商用型和免費型兩類：商用型操作系統由於功能穩定、可靠，有完善的技術支持和售後服務，在嵌入式市場佔有一定的份額。但它同時也存在價格昂貴、需要版權、源代碼不公開等一系列問題；免費型操作系統(如Linux)源碼公開，有價格方面的優勢，但在嚴格滿足嵌入式實時應用需求方面還有欠缺。
圖2 實時內核實現機理
RTAI對Linux的實時性改進
現有幾種針對Linux的實時系統解決方案，實現方法主要包括兩種：
1)直接修改Linux內核、增加實時性，如：Montavista；
2)在普通Linux內核之上增加實時模塊、雙內核結構，如：RTLinux或RTAI。
Montavista可以滿足用戶的軟實時要求，RTLinux或RTAI著重增強Linux的硬實時特性。軟實時系統的時限是柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時錯誤。失敗造成的後果並不嚴重，僅僅是輕微地降低了系統的吞吐量。硬實時系統有一個剛性的、不可改變的時間限制，它不允許任何超出時限的錯誤。超時錯誤會帶來損害甚至導致系統失敗、或者導致系統不能實現它的預期目標。
RTAI採用雙內核方法，不直接使用Linux的任何功能，而是把需要高度時間精度的工作寫成一個驅動程序的形式，然後直接用PC時序晶元所產生的中斷調用這個驅動程序。RTAI與NMT RT-Linux的最大不同之處在於，它在Linux上定義了一組實時硬體抽象層(RTHAL)。RTHAL將RTAI需要在Linux中修改的部分定義成一組程序界面，RTAI只使用這組界面和Linux溝通。這樣做的好處在於，用戶可以將直接修改的Linux核心程序代碼減至最小，這有可能使得將RTHAL移植到新版Linux的工作量減至最低。
但是，RTAI雖然滿足了硬實時性要求，卻沒有被裁減為足夠小且適用於嵌入式系統。
RTAI+uClinux的實時方案
uClinux是為嵌入式應用設計的，它本身並沒有更多地關注實時問題。uClinux經過小型化改造，形成了一個高度優化、代碼緊湊的嵌入式Linux，並保留了Linux大多數的優點。它專門針對無MMU的CPU，去除了普通Linux內核中的虛擬內存管理部分。更重要的是，uClinux提供了完整的TCP/IP協議棧，並支持大量其他的網路協議，為嵌入式系統提供了強大的網路支持。
而從前面的分析可以看出，RTAI是基於普通Linux內核，相對於嵌入式應用其內核過於龐大；而uClinux本身並沒有更多地關注實時問題。因此，可以將RTAI和uClinux相結合，採用雙內核的設計方案，既滿足了嵌入式應用的需求，又保證了系統的硬實時性。
1．硬體抽象層
圖3 系統中斷處理流程圖
系統的實現基礎是硬體抽象層，通過硬體抽象層進行硬體管理，把基本內核和實時內核結合在一起，其中一個內核的改變，不會影響另一個內核的執行。
硬體抽象層定義了本系統同硬體之間的抽象介面，主要用來截取硬體中斷，並且依據實時內核調度器的需求，重定向為基本內核任務或是實時任務。RTHAL包含一個關鍵的組件：中斷描述符表(IDT，Interrupt Descriptor Table)，它定義了一套指針用來處理中斷常式。RTHAL本身定義了一個結構，使得基本內核中斷處理函數能夠很容易地被實時處理函數所替代。這樣，當實時內核通過RTHAL激活后，新的IDT表為合法。在以上控制下，基本內核作為實時系統的任務提供服務。
2．雙內核結構
雙內核實時系統的總體結構模型如圖1所示，主要包含了基本內核、實時內核、硬體抽象層、硬體部分。
其中基本內核(uClinux)和實時內核(RTAI)分別處理非實時和實時任務的調度和執行，而實時任務和非實時任務之間信息的交換要通過管道(FIFO)或共享內存(MBUFF)來實現。當實時任務運行時，基本內核被硬體抽象層屏蔽。即實時內核將基本內核作為優先順序最低的一個任務來運行，只有在沒有實時任務運行的時候才予以調度。
3.實時內核動態載入
嵌入式實時Linux的實時內核是動態載入的。實時任務被激活前，實時內核並沒有啟動，基本內核通過RTHAL透明訪問硬體，就像RTHAL不存在一樣。當實時任務被激活時，RTHAL結構發生變化，基本內核被實時內核接管，圖2表明了實時內核啟動前後，系統發生的變化。
4．調度處理
當中斷到來時，實時內核判斷它是基本內核中斷還是屬於實時中斷，分別進行處理。若是基本內核中斷，如果當前有實時任務正在運行，則只是設置一下中斷標誌位，懸挂此中斷，如果沒有實時任務運行，則調用基本內核的中斷處理程序；如果此中斷是實時中斷，就直接調用相對應的實時中斷處理程序。注意，實時中斷可以搶先基本內核任務的執行。系統的中斷處理流程如圖3所示。
應用案例
工業控制是嵌入式實時操作系統的傳統應用領域，需要嚴格的實時處理功能、高可靠性和良好的開放性，對開發環境、可操作性、成本等也有特別的要求。因此本項研究以重大裝備的遠程監控系統作為其應用之一。
1.嵌入式遠程監控系統結構
應用針對工業生產中使用的大型設備在連續運轉狀態下的遠程監控問題，研究用於重大裝備遠程監控的嵌入式裝置。系統主要包括輸入/輸出模塊(NetIO)和輸入/輸出上位模塊(NetWeb)，前者用於實現現場數據的採集(輸入)，或用於現場裝置的控制(輸出)，後者集成了Web功能，使得用戶可以通過互聯網對輸入/輸出模塊進行訪問。兩類模塊通過網路相連接，在本系統中為通過串列485匯流排。嵌入式遠程監控系統結構如圖4所示。
2．NetWeb對嵌入式Linux的功能驗證
圖4 嵌入式遠程監控體系結構
NetWeb的開發基於前面介紹的嵌入式實時Linux操作系統。特殊的雙內核操作系統結構決定了應用開發的特殊性。
1)任務管理功能
系統中的任務可以分為實時性任務和非實時性任務，實時任務包括實時數據採集、處理等方面，這部分的功能要在實時內核RTAI之上進行實現；另外，非實時任務主要包括數據存儲、遠程通訊的實現，這部分功能要在基本內核uClinux之上實現。
嵌入式實時Linux將實時任務與非實時任務分開管理，實施不同的調度策略和任務間通信方式，至於實時任務與非實時任務之間的通信可以通過實時的FIFO或共享內存實現。這樣的功能使應用的編寫簡潔清晰、功能明確、調度靈活，方便了用戶。
2)網路功能
嵌入式實時Linux實現了嵌入式互聯網技術，將Web伺服器引入到現場測試和控制設備中，在相應的硬體平台和軟體系統的支持下，使傳統的測試和控制設備轉變為具備了以TCP／IP為底層通信協議，Web技術為核心的基於互聯網的網路測試和控制設備。
嵌入式Web與傳統Web應用相比，簡化了系統結構，將信息採集和信息發布都集成到現場的測控設備中。由於有了標準的介面形式和通信協議，內嵌於設備的Web伺服器可以向任何接入它所在網路的合法用戶提供統一的基於瀏覽器方式的操作和控制界面，瀏覽器成了設備的前端控制板。
3)實時性
嵌入式實時Linux是硬實時的嵌入式操作系統。當中斷到來時，若是基本內核中斷，如果當前有實時任務正在運行，則只是設置一下中斷標誌位，懸挂此中斷；如果此中斷是實時中斷，就直接調用相對應的實時中斷處理程序。這樣的調度機制可以保證遠程監控系統中實時任務在確定的時間限度內完成，為系統故障的實時預報、診斷、控制提供了強有力的支持。
此外，系統還從時間管理、內存管理、中斷管理、同步、互斥管理以及設備管理等方面對這一操作系統的功能進行評估驗證。
本文小結
儘管將Linux進行嵌入式實時性改進的方案很多，但是採用RTAI＋uClinux的還未見到成型的產品。這一方案既符合嵌入式系統的需求，又達到硬實時性標準，同時還有強大的網路功能、易升級性、易移植性等優點。
同時，在其上進行應用編程時實時任務(基於RTAI)和非實時任務(基於uClinux)是分開編寫的，清晰簡潔，但由於用戶需要直接在內核空間編程，從系統的安全性角度存在很大隱患。希望可以通過進一步討論研究使其更加完善。
