引 言
    隨著嵌入式設備的快速發(fā)展，嵌入式設備的功能和靈活性要求越來越高，很多嵌入式設備中都開始使用操作系統(tǒng)。由于工作的特殊性，很多嵌入式設備要求系統(tǒng)對外部事件的中斷響應必須在事先設定的時限范圍內完成，使系統(tǒng)具有可預測性，而通用的桌面操作系統(tǒng)大都是非實時或者是軟實時的，無法滿足需求，因此就必須使用實時操作系統(tǒng)(Real—Time Operating System，RTOS)。
    實時操作系統(tǒng)是一個可以在有限確定的時間內，對異步輸入進行處理并輸出的信息系統(tǒng)。一個高性能的實時操作系統(tǒng)應具備良好的綜合性能，包括系統(tǒng)體系結構、基本系統(tǒng)功能支持(如內存和中斷管理)、APl支持和穩(wěn)定性等。
    實時系統(tǒng)又有軟實時系統(tǒng)(soft real—time system)和硬實時系統(tǒng)(hard real—time system)之分。軟實時系統(tǒng)是指那些在系統(tǒng)負荷較重時，允許發(fā)生錯過時限(deadline)的情況而且不會造成太大危害的系統(tǒng)，如電視會議系統(tǒng)；而硬實時系統(tǒng)是指那些對每個任務的調度時間要求非常嚴格的系統(tǒng)，如果不滿足時間限制的要求，則會給系統(tǒng)帶來毀滅性的后果。比如數(shù)控機床的進給控制系統(tǒng)，在規(guī)定時間內進給系統(tǒng)必須達到預定的位置，否則無法保證加工零件的精度，甚至無法完成加工。
    在嵌入式系統(tǒng)領域，實時系統(tǒng)的核心是實時操作系統(tǒng)。目前已有很多商業(yè)實時操作系統(tǒng)，著名的有WindRiver公司的VxWorks，其他的有QNX、pSOS+等。它們的優(yōu)點是具有非常好的穩(wěn)定性、可靠性和實時性，但是一般價格昂貴且互不兼容，而且源代碼作為商業(yè)秘密而不公開。與之相反，GPL協(xié)議下的Linux操作系統(tǒng)則為開發(fā)者在前人基礎上進行更深入的研究提供了可能。目前，具有代表性的Linux內核實時性研究項目有RT—Linux、RTAI、Xenomai等。

1 Linux 2．6內核的實時性分析
    相對于老版本內核，Linux 2．6版本的內核結構做了很大的改動，開發(fā)者對很多功能模塊的代碼都進行了重寫。最為顯著的改進是在影響系統(tǒng)實時性的進程調度方面，包括采用可搶占內核和新的0(1)調度程序。
    但是Linux在最初的設計是用作個人PC或者小型服務器的操作系統(tǒng)，由于設計要求的針對性，導致了Linux無法提供硬實時環(huán)境，直接影響了它的硬實時性能。這主要表現(xiàn)在兩方面：
    (1)進程調度方式
    Linux的進程調度采用的是時間片輪轉調度策略。不論進程優(yōu)先級的高低，Linux在某段時間內都會分配給該進程一個時間片運行，也就是說它的設計更注重任務調度的公平性。這種情況下，就會出現(xiàn)高優(yōu)先級進程由于其時間片的耗盡而被迫放棄處理器，處理器被沒有耗盡時間片的低優(yōu)先級進程所占用的現(xiàn)象。這樣顯然無法適用于實時性要求比較高的系統(tǒng)。
    (2)時鐘粒度粗糙
    在Linux 2．6版本內核中，時鐘中斷發(fā)生的頻率范圍為50～1 200Hz，周期不小于0．8 ms，而工業(yè)上很多的中斷周期都在幾十μs之內。
    對于上面提到的影響Linux實時性的問題，目前的解決辦法主要有2種：
    ①對Linux內核的內部進行實時改造，即直接修改Linux內核的數(shù)據(jù)結構、調度方式以及中斷方式(主要是時鐘中斷)。
    采用這種方法，實時化改造后的系統(tǒng)實時性較好，但是工作量大，并且可能會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。最大的缺點是：原本在Linux上運行的設備驅動程序和應用程序不能直接在改進的內核上運行。典型代表有Kurt-Linux。
    ②對Linux內核的外部實時擴展，這種方法通常是采用雙內核的辦法。具體是在Linux內核和硬件間加入一個硬件抽象層(Hardware Abstract Layer，HAL)，系統(tǒng)所有的硬件中斷由這個抽象層控制。新創(chuàng)建一個內核專門用來調度實時進程，而普通進程通過原來的Linux內核進行調度。采用此方法的最大好處在于對Linux的內核改動很小，而且原Linux上的設備驅動程序和應用程序都能順利地在此實時系統(tǒng)上運行。其代表有RT—Linux、RTAI和Xenomai。

2 Xenomai原理與應用
2．1 Xenomai簡介及其Adeos實現(xiàn)
    Xenomai是一個自由軟件項目，提供了一個基于Linux的實時解決方案。它可以提供工業(yè)級RTOS的性能，而且完全遵守GNU／Linux自由軟件協(xié)議。目前最新穩(wěn)定版本是2．4．5。
    Xenomai項目起始于2001年。從2003年夏天起，Xenomai和RTAI有了兩年時間的合作，期間開發(fā)了廣為人知的RTAI／fusion項目分支。到2005年，Xenomai項目又重新獨立出來。而從2．0．0版本開始，Xenomai在硬件平臺的移植就一直是基于Adeos構架來實現(xiàn)的。
    在基于Adeos的系統(tǒng)中，分為多個域。每個域中獨立運行一個操作系統(tǒng)(或者是實現(xiàn)一定功能的程序模塊)，每個域可以有獨立的地址空間和類似于進程、虛擬內存等的軟件抽象層。在各個域下層有一個Adeos通過虛擬中斷等方法來調度上面的各個域。在基于Adeos的系統(tǒng)中，存在著A、B、C、D四種類型的交互，如圖1所示。

    A類交互是各個域直接操作硬件設備，包括訪問內存等；B類交互指當Adeos接收到硬件中斷后，會根據(jù)中斷來對相應的域進行中斷服務；C類交互指當前域內的操作系統(tǒng)主動向Adeos請求某些服務；D類交互是指Adeos接收硬件產(chǎn)生的中斷和異常，同時也可以直接控制硬件。其中，Adeos實現(xiàn)的功能主要包括中斷管道機制(I—Pipe)、域管理模塊和域調度模塊功能。
2．2 Xenomai用戶層實時的實現(xiàn)
    Xenomai除了在內核層利用Adeos實現(xiàn)了硬實時外，它在用戶空間也有很好的實時性。在S3C2410平臺上，為了實現(xiàn)用戶層的實時，Xenomai實現(xiàn)了一個硬件計數(shù)器——Decrementer。這個硬件計數(shù)器可以在用戶空問里很好地模擬TSC(Time Stamp Counter，時間戳計數(shù)器)。
    同時，Xenomai在Linux內核中加入了一個全新的數(shù)據(jù)結構__ipipe_tscinfo，可以通過此數(shù)據(jù)結構變量存放用戶層需要的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)結構組成如下：

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    在用戶層，應用程序通過系統(tǒng)調用可以迅速得到struct_ipipe_tscinfo結構體中的數(shù)據(jù)。而且為了避免受到緩存的影響，Xenomai將此結構體變量存放在Linux的向量頁中。

    內核通過函數(shù)_ipipe_mach_get_tscinfo來填充struct_ipipe_tscinfo結構體變量中的各項內容：

   
    其中，info一>typte說明在S3C2410平臺上TSC是基于Decrementer硬件計數(shù)方式的；info一>u．dec．counter用來將Decrementer計數(shù)器的物理地址設定為0x51000038；info一>u．dec．mask掩碼用來注明使用Dec—rementet。計數(shù)器中的特定位；info一>u．dec．tsc指向存放64位TSC值的區(qū)域。
    在Xenomai用戶層的實時程序運行時，程序都會通過系統(tǒng)調用得到內核填充好的struct_ipipe_tscinfo結構體變量。具體實現(xiàn)可參考編譯用戶層實時程序時用到的，由Xenomai所提的頭文件/usr/xenomai/include/asm/syscall．h。
2．3 Xenomai多API構架
    除了提供Linux硬實時，Xenomai的另一個目的是使基于Linux的實時操作系統(tǒng)能提供與傳統(tǒng)的工業(yè)級實時操作系統(tǒng)(包括VxWorks、pSOS+、VRTX或者uITRON)功能相同的API。這樣，可以讓這些操作系統(tǒng)下的應用程序能夠很容易地移植到GNU／Linux環(huán)境中，同時保持很好的實時性。
    Xenomai的核心技術表現(xiàn)為使用一個實時微內核(real—time nucleus)來構建這些實時API，也稱作“skin”。在實時核復用的基礎上，一個skin可以很好地模擬一種實時操作系統(tǒng)的API。它的結構圖可以參考圖2。

    圖2中，Native是Xenomai自帶的API，各類API都有著同等的地位，都獨立地基于同一個實時微內核。這樣做可以讓內核的優(yōu)點被外層所有的API很好地繼承下來。更重要的是，實時微內核提供的服務被外層各種API以不同的方式表現(xiàn)出來，由此可以增強整個系統(tǒng)的強壯性。
    編制實時程序時，在很多實時操作系統(tǒng)上只能在內核層實現(xiàn)；而編制實時內核模塊時，會受到內核的限制，比如有些實時內核不支持浮點運算，模塊出錯時容易使整個系統(tǒng)掛起，而且內核模塊的調試比較困難。Xenomai能夠支持較好的用戶層實時，這為編制實時性要求不是非常高的實時程序提供了一個有效途徑。下面這個用戶層實時例程使用的是Xenomai提供的Native API：

    從程序中可以看出，Xenomai的用戶層實時程序的周期可以輕易地設定到μs級，所以它完全可以適用于一般實時性要求的工程應用。

3 總 結
    本文首先簡單介紹了實時操作系統(tǒng)，分析了Linux 2．6內核實時性能的不足；然后著重介紹了一個Linux實時化的解決方案——Xenomai，分析了Xenomai的Adeos構架基礎，簡要說明了Xenomai用戶層實時的實現(xiàn)，以及Xenomai支持多種實時操作系統(tǒng)的API的新特點。本文給出的Xenomai的用戶層實時例程已經(jīng)成功地在多個平臺上運行過，表明Xenomai用戶程序在多種硬件平臺上有很好的移植性。