試技術(shù)卷理論與研究TechnologyLi nux的實(shí)時(shí)性改造及測(cè)試Research and I nmpl enent at i on of Real-ti ee Li nux劉彧1,樊煒華2,羅子明3Liu Yu', Fan Wei-hua, Luo Zi ming1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院陜西College of Mechanical Engineering, Xi'at西安710049;2.西安交通大學(xué)電子與Jiaotong University, Xi' an 710049, China: 2信息工程學(xué)院,陜西西安710049;3西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西710049, China: 3. College of MechanicalEngineering, Xi'an Jiaotong UniDn西安710049710049, China)摘要:本文針對(duì)如何在有效利用 Li nux能夠方便地移植到不同應(yīng)用平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)使其能夠滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的翌求,對(duì)Linu-2.6.9核心進(jìn)行了改造。首先,通過(guò) RED Li nux9項(xiàng)目,在實(shí)時(shí)硬件抽象層(RTHL)上建立實(shí)時(shí)應(yīng)用借口(RTAI),在新內(nèi)核 Li nux-2.6.9-adeos上實(shí)現(xiàn)了RTAI,并進(jìn)行了任務(wù)切換延遲、實(shí)時(shí)程序和普通程序三種測(cè)試最后對(duì)RTAI、 RTLI nu兩種改造方案進(jìn)行了比較關(guān)鍵詞:實(shí)時(shí); Li nux; RTHAL;RTAI; RTLi nux中圖分類號(hào):TP316.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-0107(2007)05-0009-04Abstract: To make use of the advantage of being easily migrated on different application flatports of Linux, and satisfy the real-time demand as well, the real-time ability of Linux 2.6.9oved. Firstly, construct the RTHAL, on which the RTAI was based, and thenew kernel was tested by task-delay program, real-time program and user program. At last,the two methods of RTAl and RTLinux were comparedKey words: Real-time; LinuxCLC number: TP316.2Document code: A Article ID: 1003-0107(2007)05-0009-04引言第—, Li nux的核心進(jìn)程是不時(shí)鐘中斷越頻繁。Linuⅹ通過(guò)對(duì)硬伴隨著科技不斷的日新月異推能被搶先的。即如果有Liηux的核件時(shí)鐘編程產(chǎn)生周期為100Hz的陳岀新,信息家電、手持設(shè)備、無(wú)線心態(tài)進(jìn)程在運(yùn)行時(shí),其他進(jìn)程不管時(shí)鐘中斷,仼務(wù)調(diào)度的時(shí)間精度最備等個(gè)性化設(shè)備的出現(xiàn),智能其優(yōu)先級(jí)多高都必須等待高能達(dá)到10ms,這無(wú)法滿足一些化、網(wǎng)絡(luò)化將會(huì)無(wú)所不在,所有這第二, Li nux的進(jìn)程調(diào)度方式對(duì)時(shí)間精度要求苛刻的實(shí)時(shí)應(yīng)用些都離不開(kāi)嵌入式軟件,而在嵌入不是完全搶占式的。但是在實(shí)時(shí)系式軟件中最核心的莫過(guò)于RTos統(tǒng)中,高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程決不能等待2.2調(diào)度算法改進(jìn)的缺陷( Re aI ti me Oper a t i ng低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程用戶可以改變調(diào)度算法使實(shí)時(shí)Syst en實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))1。由于第三,在系統(tǒng)調(diào)用中,為了保進(jìn)程循環(huán)或定時(shí)被調(diào)用,并能鎖定全世界各地的 Li nux用戶和開(kāi)發(fā)護(hù)臨界區(qū)資源, Li nux會(huì)長(zhǎng)時(shí)間關(guān)內(nèi)存中的實(shí)時(shí)進(jìn)程,從而使其頁(yè)面者的不斷努力, Li nux已成長(zhǎng)為穩(wěn)掉中斷。這種情況在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是不被交換岀去。這兩種方法是定性高且性能優(yōu)異的操作系統(tǒng),開(kāi)不允許發(fā)生的。POSI X.1b-1993標(biāo)準(zhǔn)的一部分,發(fā)一個(gè)基于 Li nux的開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)第四, Li nux采取了“虛擬內(nèi)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了實(shí)時(shí)進(jìn)程,它也被化、高效亷價(jià)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是完存”的內(nèi)存管理方式。即LiηuX利Liηux采用。在新版的 Li nux中,全可行的。本文將在PC機(jī)上用兩用交換空間讓進(jìn)程運(yùn)行在一個(gè)比實(shí)系統(tǒng)調(diào)用提供了如下操作:鎖住內(nèi)種方法實(shí)現(xiàn)Linuⅹ操作系統(tǒng)的實(shí)際內(nèi)存大的虛擬內(nèi)存空間里。它使存中的用戶頁(yè)面;修改調(diào)度規(guī)則使時(shí)性改造得操作花費(fèi)的時(shí)間具有不可預(yù)測(cè)基本進(jìn)程具有特權(quán);對(duì)信號(hào)進(jìn)行更性,在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是不允許的可靠的處理。但該標(biāo)準(zhǔn)不能解決所2. Li nux用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)存在的第五,操作系統(tǒng)必須對(duì)時(shí)間精有的問(wèn)題,其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所謂的軟問(wèn)題度和時(shí)鐘中斷處理的時(shí)間開(kāi)銷進(jìn)2.1標(biāo)準(zhǔn) Li nux的幾點(diǎn)制約2折中考慮,時(shí)間精度越高,意味著YH中國(guó)煤化工CNMHG·2007第05其EL ECTRONICS QUALITY毛子質(zhì)繭理論與研究測(cè)試技術(shù)卷3.有效的Linuⅹ實(shí)時(shí)性改造方4.RTAI的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試max: 2273 average: -2410案4.1實(shí)現(xiàn)機(jī)制2005/061510:31:36min:-11790 3. 1 RTAIRTAI將 Li nux ker ne看作max:2729 average:-241RTAI修改了 Ii nux/arch/是一個(gè)空閑任務(wù),僅當(dāng)沒(méi)有實(shí)時(shí)任2005/061510:31:37min:-11791386中與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼而多,且實(shí)時(shí)內(nèi)核處于空閑狀態(tài)時(shí),m3079624形成了 RTHAL I層。 RTHAL對(duì)內(nèi)核執(zhí)行這個(gè)任務(wù)。 Linux任務(wù)不能阻2005/06/510:31:38min:-1179口的改動(dòng)很小,這樣當(dāng)內(nèi)核版本升級(jí)塞中斷或阻止自己被剝奪max:3679x時(shí),RTA的移植工作量就會(huì)比較亥機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法是用軟件模2005/061510:31:39min:-142小,而且也比較容易把RTAI移植擬中斷控制硬件。當(dāng)任何 Li nuxmax: 3679 average: -226UΦ到別的操作系統(tǒng)上。 RTHAL的作用碼試圖關(guān)閉中斷,實(shí)時(shí)系統(tǒng)截取并2005/061510:31:40min:-142是使RTAI能夠在實(shí)時(shí)任務(wù)需要運(yùn)記錄它,并將其返回給nux,無(wú)mx079age:26∩行的任何時(shí)刻中斷 Li nux。引入論Lnux的狀態(tài)如何,當(dāng)一個(gè)中斷結(jié)果分析:在這個(gè)測(cè)試結(jié)果中RTAI后,Linuκ的功能沒(méi)有改變發(fā)生,實(shí)時(shí)內(nèi)核截荻這個(gè)中斷并決出現(xiàn)了負(fù)號(hào)是因?yàn)閙n和mx被定但運(yùn)行于最低優(yōu)先級(jí)下,當(dāng)無(wú)實(shí)時(shí)定分發(fā)到哪里。如果存在該中斷的義為 r t_ge t-time()103任務(wù)執(zhí)行時(shí)它才允許執(zhí)行。系統(tǒng)結(jié)實(shí)時(shí)處理函數(shù),則相應(yīng)的函數(shù)被調(diào) expect ed,它是反應(yīng)時(shí)間和期望構(gòu)圖如圖1。用,如果沒(méi)有,或者該處理函數(shù)要值的差值,負(fù)號(hào)表示比期望更快將此中斷分享給 Li nux,則中斷被正號(hào)表示比期望慢。在測(cè)試結(jié)果3.2 RTLi nux標(biāo)為掛起。無(wú)論 Li nux運(yùn)行在用戶中,平均值為負(fù)數(shù),說(shuō)明總體的平RTLi nUx由新墨西哥大學(xué)的態(tài)或是內(nèi)核態(tài),開(kāi)中斷還是關(guān)中均仼務(wù)切換延遲比期望的要短,也Vi ctor yoda ken等人開(kāi)發(fā)的,斷,實(shí)時(shí)系統(tǒng)都可以響應(yīng)中斷。就是RTAI實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性要求。是一個(gè)嚴(yán)格遵守 POSIX1003.13技術(shù)規(guī)范的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),主要4.2實(shí)現(xiàn)方法4.3.2測(cè)試方案二應(yīng)用于儀器設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)。通值得注意的一點(diǎn)是需要有與內(nèi)編寫方波測(cè)試程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)修改 Ii nux/arch/i386/下與核相對(duì)應(yīng)的RTAI補(bǔ)丁包。本文使用并口輸出方波到示波器可以直觀體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的部分,在Linuⅹ與用的內(nèi)核為L(zhǎng)inuⅹ-2.6.9,補(bǔ)丁地看到RTAI的實(shí)時(shí)效果。本文使硬件之間創(chuàng)建一個(gè)硬實(shí)時(shí)內(nèi)核。包為rtaj-3.1首先需要用兩種方波程序測(cè)試RTAI的實(shí)時(shí)Linuⅹ作為此內(nèi)核的一個(gè)優(yōu)先級(jí) pat c h新內(nèi)核,然后在舊的配置基性:一種是實(shí)時(shí)程序;一種是普通低的任務(wù)運(yùn)行。硬實(shí)時(shí)仼務(wù)都在硬礎(chǔ)上升級(jí)內(nèi)核配置。用戶程序。其中,實(shí)時(shí)程序.C需要實(shí)時(shí)內(nèi)核上運(yùn)行,而所有非實(shí)時(shí)任有相應(yīng)的 MakefiLe文件,普通用務(wù)都在 Li nux上運(yùn)行。 RTLi nux4.3測(cè)試及結(jié)果演示戶程序要用gcc編譯器編譯后再測(cè)的數(shù)據(jù)和控制流程見(jiàn)圖2。Linux[linux[實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)4.3.1測(cè)試方案①實(shí)時(shí)程序測(cè)試使用RTAI-3.1自帶的測(cè)試編譯通過(guò)以后,將計(jì)算機(jī)與示Linux內(nèi)核程序。該程序能夠顯示任務(wù)切換最波器用并口連接起來(lái),逐步執(zhí)行大延遲、最小延遲及平均值,毎秒 st ar t.sh的命令,在示波器上我實(shí)時(shí)內(nèi)核(RTAI)鐘輸出一次結(jié)果,具體演示如下:們將看到實(shí)時(shí)內(nèi)核得到穩(wěn)定的方波硬件抽象層( RTHAL)## RTAllatency calibration tool#輸出,然后我們給CPU加重負(fù)荷圖1 Linux/RTAI的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖#period=100000(ns)可以使用 updat edb,也可以打開(kāi)enfin,這時(shí)大家將會(huì)驚奇的Linuxcheck overall worst case發(fā)現(xiàn)方波頻率仍然穩(wěn)定!在測(cè)試工作中采集了50KHz的方波圖像,如Linux內(nèi)核RT進(jìn)程圖3(a(見(jiàn)下頁(yè)),以及增加CPU實(shí)時(shí)內(nèi)核(RTAI#timer mode is oneshot負(fù)荷之后的方波圖像,如圖3(111(見(jiàn)下頁(yè))。硬件中斷nax: 2273 average: -235中國(guó)煤化工測(cè)試圖2 RTLinux數(shù)據(jù)和控制結(jié)構(gòu)圖2005/06/510:31:35min:-11CNMHGect rectc子質(zhì)ELECTRONICS QUALITY·2007第05期·測(cè)試技術(shù)卷理論與研究Test Technology編譯該程序通過(guò)后,在示波器上同統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中能夠保證實(shí)時(shí)任務(wù)樣出現(xiàn)方波,與實(shí)時(shí)程序不同的是的時(shí)間片,在系統(tǒng)分配資源時(shí)不會(huì)5.3測(cè)試結(jié)果比較當(dāng)我們使用 updat edb命令或者做受到其它進(jìn)程的影響,起到了非實(shí)在進(jìn)行性能測(cè)試時(shí),我們采用打開(kāi)一個(gè)文檔的動(dòng)作時(shí),方波將會(huì)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)化的效果;而沒(méi)有軟件讀取定時(shí)計(jì)數(shù)器值的方法,在因?yàn)镃PU當(dāng)前的負(fù)荷加重而跳躍,調(diào)用實(shí)時(shí)模塊的進(jìn)程將會(huì)受到其它不同時(shí)刻讀取計(jì)數(shù)值,其差值即為甚至在不做任何動(dòng)作時(shí),方波也會(huì)進(jìn)程的影響,不具有實(shí)時(shí)性。另外,測(cè)試數(shù)據(jù)。從中斷確認(rèn)開(kāi)始讀取定由于系統(tǒng)的一些后臺(tái)工作對(duì)資源的在測(cè)試過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn),實(shí)時(shí)程序時(shí)計(jì)數(shù)值,操作系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)入中斷調(diào)用而不穩(wěn)定。受影響前后的方波所得到的方波的最大頻率可達(dá)的內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用,接著執(zhí)行服務(wù)程x圖像如圖4(a),圖4(b)。50KH,而普通程序所得到的方波序,在服務(wù)程序的第一條指令前再m結(jié)果分析:實(shí)時(shí)程序和普通程的最大頻率只有50Hz,也就是說(shuō)讀取定時(shí)計(jì)數(shù)值,兩者之差即為中序的不同測(cè)試結(jié)果表明改造后的系實(shí)時(shí)程序可以以10u5/格的速度斷響應(yīng)時(shí)間。在多任務(wù)的情況下,輸出高低電平,而普通程序最快也執(zhí)行 RTLi nuⅹ操作系統(tǒng),結(jié)果為只有10m5/格。在實(shí)際的實(shí)時(shí)應(yīng)用7-9us。執(zhí)行 Li nux,其中斷響應(yīng)中,表現(xiàn)為實(shí)時(shí)任務(wù)切換能夠在很時(shí)間為490us·18π5。在單任務(wù)情短的延遲內(nèi)得到響應(yīng)。這就達(dá)到了況下,執(zhí)行 RTLi nux,中斷響應(yīng)時(shí):11實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的要求。間為4-7u5,執(zhí)行 Li nux,其中斷響應(yīng)時(shí)間為4-9us6。5. RTLi nux的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試從測(cè)試結(jié)果可以看出,在單任1 RTI nux的實(shí)現(xiàn)機(jī)制務(wù)情況下,體現(xiàn)不出 RTLi nux與圖3(a)50KH的實(shí)時(shí)程序方波采用 Li nux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核與 Li nux在中斷響應(yīng)時(shí)間上的差距RTLi nUX的實(shí)時(shí)內(nèi)核相結(jié)合,由但在多任務(wù)情況下,從測(cè)試得到的實(shí)時(shí)內(nèi)核提供時(shí)間保證,標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核數(shù)據(jù)來(lái)看,二者的差距非常明顯提供擴(kuò)展功能,即可實(shí)現(xiàn)基于這表明了 RTLI nUx采用雙核機(jī)制Li nux的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 RTLi nuⅹ和實(shí)時(shí)調(diào)度算法,能提供很好的實(shí)通過(guò)一個(gè)高效的、可搶先的實(shí)時(shí)調(diào)時(shí)性。度核心來(lái)全面接管中斷,并把Lⅰnux作為此實(shí)時(shí)核心的一個(gè)優(yōu)6. RTLi nux與RTA的比較圖3(b)打開(kāi) openfile后的實(shí)時(shí)先級(jí)最低的進(jìn)程運(yùn)行。當(dāng)有實(shí)時(shí)任RT- Li nux屬于硬實(shí)時(shí),將程序方波務(wù)需要處理時(shí), RTLi nux運(yùn)行實(shí) Li nux內(nèi)核設(shè)計(jì)為可被搶占的,主時(shí)任務(wù);無(wú)實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí), RTLi nux要方法是實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核負(fù)責(zé)處運(yùn)行 Li nux的非實(shí)時(shí)進(jìn)程理硬件消息,接管中斷,實(shí)時(shí)任務(wù)RTLi nux傷真了 Li nux內(nèi)核的中可在該內(nèi)核上直接運(yùn)行。RTAI的斷控制器。這樣即使在被CPU中技術(shù)實(shí)現(xiàn)類似,但更成熟和完善。斷,同時(shí) Li nux內(nèi)核請(qǐng)求被取消的RTAI和 RT-Li nux最大的不情況下,關(guān)鍵的實(shí)時(shí)中斷也能夠保同地方在于它適當(dāng)?shù)脑贚ⅰnuⅹ上定圖4(a)50Hz的普通程序方波持激活義了一組 RTHAL。 RTHAL將RTAI需要在Linuⅹ中修改的部份定義成5.2實(shí)現(xiàn)方法組程序界面,RTAI只使用這組界將 RTI nux-3.1 Pat ch到面和 Li nux溝通。這樣,可以把對(duì)小型化的Linuⅹ-2.4.4內(nèi)核上,內(nèi)核源碼樹(shù)的改動(dòng)降低到可以控制重新編譯內(nèi)核,將內(nèi)核配置為支持的程度,將直接修改Linuⅹ內(nèi)核的多線程,支持硬實(shí)時(shí),支持加載模程序代碼減至最小,其優(yōu)點(diǎn)是盡量塊,形成—個(gè)新的具有實(shí)時(shí)性能的減少RTAI移植到新版 Li nux的工核心。這樣,一個(gè)具有實(shí)時(shí)操作系作量。提供了更多的實(shí)時(shí)通信機(jī)制,圖4(b)打開(kāi) open i Ie后的普通統(tǒng)特征的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)就搭建起來(lái)中國(guó)煤化工。re、實(shí)時(shí)程序方波了HCNMHGue等IPC機(jī)·2007第05其EL ECTRONICS QUALITY毛子質(zhì)理論與研究測(cè)試技術(shù)卷制,實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)都可以人電腦設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng),可以免費(fèi)南[M·北京:中國(guó)電力出版社,2002調(diào)用。并且用戶態(tài)進(jìn)程也有相應(yīng)的分發(fā),并且兼容Unix,已經(jīng)受到越[2]漆昭玲.基于 Power PC的嵌入⊙調(diào)用來(lái)與之通信。在 Li nux內(nèi)核上來(lái)越多用戶的重視和歡迎,成為版社,2004式 Li nux[M.北京:北京航空航天大學(xué)出以較小的改動(dòng),提供了接口,而把 W ndow操作系統(tǒng)之外的一個(gè)[3]于旭,基于 Li nux的實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)度和實(shí)時(shí)1Pc機(jī)制都用內(nèi)核有發(fā)展前途的操作系統(tǒng):而MRTAI的實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究[].網(wǎng)絡(luò)與信息,5 pdu e來(lái)實(shí)現(xiàn)dows Nt只部分兼容POSIⅩ10034] Terre Haut e, Fedor a Core 3-實(shí)時(shí)規(guī)范,在實(shí)時(shí)領(lǐng)域使用的并不6. 9-adeos HoC CP]. htt p://vw cSx7.結(jié)論多,所以將實(shí)時(shí)性與 Li nux操作系rose- hul man.edu/,2005,1實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的統(tǒng)相結(jié)合具有非常重要的意義。通[5] Rober t Kr ohn RtLi nux HowOo∽o(hù)oΦ許多重要領(lǐng)域起著不可替代的作過(guò)這項(xiàng)技術(shù)研究,不僅摸索出了實(shí)[cp].http://wwwfsmabscond,2005[6]夏一民,羅軍,鄧勝蘭,實(shí)時(shí)用。這些領(lǐng)域?qū)γ總€(gè)關(guān)鍵任務(wù)所用時(shí)性能更好的改進(jìn)方案,同時(shí)也為L(zhǎng)nux操作系統(tǒng)初探[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研∩的最長(zhǎng)時(shí)間都有著嚴(yán)格的要求,只嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性研究和多平究,200有采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)才能夠保證關(guān)臺(tái)移植提供了工作基礎(chǔ)和一些理論●鍵任務(wù)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。這依據(jù)?！?2ξ些應(yīng)用的需求極大的促進(jìn)了實(shí)時(shí)操參考文獻(xiàn)作系統(tǒng)的發(fā)展。Linuⅹ作為普通個(gè)1]唐寅.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)指大大大大大上接08頁(yè)_5源信號(hào)手槍機(jī)槍火炮輪式車輛坦克分離信號(hào)()參考文獻(xiàn)0.98040.1941-0.00320.07100.0121-00232sour ce separ at i on-sem par aretri c0.81310.01010.48630.04740.2747st at i sti cal appr oach [J]. 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