嵌入式实时操作系统RTLinux的分析和实现

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1、嵌入式实时操作系统RTLinux的分析和实现《世界商业评论》ICXO.COM(日期：2004-04-2718:12)【ICXO.com编者按】文章讨论了Linux作为实时应用操作系统的一些不足，从实现机制上分析了产生这些不足的原因。详细阐述了实时操作系统RTLinux的实现原理，着重介绍了嵌入式RTLinux系统的开发过程，并给出了该系统实时性能测试的方法和结果。1、引言计算机经过短短几十年的发展，现在已经进入了后PC时代。嵌入式系统已经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

2、常生活等方方面面中。实时操作系统RTOS（Real-TimeOperatingSystem）集中了实时系统和操作系统的优点。它是嵌入式系统的系统软件，一个优秀的RTOS是嵌入式系统成功的关键。我国到目前为止，还没有一个真正实用的、有影响力的实时操作系统。当前使用的实时操作系统都是由国外公司开发的。主要有：微软的WindowsCE、IntegratedSystems公司的pSOS、美国Alameda公司的VxWorks、Lynx的LynxOS以及加拿大QSSL公司开发的QNX等等。这些操作系统存在共同的问题就是价格特别昂贵

3、。另外，这些操作系统都是有版权的，内部的实现机理不公开。其封闭的源代码增加了用户对该软件厂家的依赖度。在这些平台上开发嵌入式系统必然会受到他们所定的规则的限制，另外还有可能会受到象Windows操作系统中“后门”的威胁。因此，当前开发我国自主的实时操作系统有非常重要的意义，可以摆脱PC时代操作系统对我们的束缚。由于Linux廉价、开放源码以及系统的稳定性，使其在嵌入式系统中的应用日益广泛，在此专门介绍一种基于Linux的实时操作系统－RTLinux。2、Linux在实时应用中的不足现有的Linux是一个通用的操作系统，虽

4、然它采用了许多技术来提高系统的运行和反应速度，但它本质上不是一个实时操作系统，应用于嵌入式环境中还存在诸多的不足。具体表现如下：1、关中断问题在系统调用中，为了保护临界区资源，Linux处于内核临界区时，中断会被系统屏蔽，这就意味着如果当前进程正处于临界区，即使它的优先级较低，也会延迟高优先级的中断请求。在实时应用中，这是一个十分严重的问题。2、进程调度问题Linux采用标准的UNIX技术使得内核是不可抢占的。采用基于固定时间片的可变优先级调度，不论进程的优先级多么低，Linux总会在某个时候分给该进程一个时间片运行，即

5、使同时有可以运行的高优先级进程，它也必须等待低优先级进程的时间片用完，这对一些要求高优先级进程立即抢占CPU的实时应用是不能满足要求的。3、时钟问题Linux为了提高系统的平均吞吐率，将时钟中断的最小间隔设置为10ms，这对于一个周期性的实时任务，间隔要求小于10ms时，就不能满足实时任务的需要。如果要把时钟的间隔改小以满足周期性的实时任务的需要，由于Linux的进程切换比较费时，时钟中断越频繁，而花在中断处理上的时间就越多,系统的大部分时间是调用进程调度程序进行进程调度而不能进行正常的处理。这些问题是将Linux用于嵌

6、入式环境时必然会碰到的问题，但是Linux操作系统本身的优势决定了Linux经过改造后仍然适合嵌入式环境，将Linux经过改造，使其成为一个能运行于嵌入式系统的操作系统是目前操作系统领域中研究的一个热点。RTLinux就是Linux实时改造非常成功的一例。3、RTLinux的实现原理RTLinux是源代码开放的具有硬实时特性的多任务操作系统，它是通过底层对Linux实施改造的产物。通过在Linux内核与硬件中断之间增加一个精巧的可抢先的实时内核，把标准的Linux内核作为实时内核的一个进程与用户进程一起调度，标准的Lin

7、ux内核的优先级最低，可以被实时进程抢断。正常的Linux进程仍可以在Linux内核上运行，这样既可以使用标准分时操作系统－Linux的各种服务，又能提供低延时的实时环境。RTLinux对Linux内核进行改造，将Linux内核工作环境做了一些变化，如图1所示：图1Linux内核细x节与RTLinu内核细节的比较从图1可以看出，本来是由Linux内核完全控制Linux进程和中断控制硬件的，现在在Linux内核和中断控制硬件之间，增加了一个RTLinux内核。Linux的控制信号都要先交给RTLinux内核进行处理。在Li

8、nux中，用禁止中断的方法作为同步机制，通过向x86处理器发送“sti”和“cli”宏指令来开中断和关中断，由于关中断和开中断的混合使用使得中断的分派延时不可预测。而RTLinux修改了这些宏指令，分别用宏S_STI和S_CLI替换。RTLinux引入了一个虚拟层，采用在Linux内核和中断控制硬件之间增加一层仿真软