張 靜， 宋 珂， 章 桐

(同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海201804)

0 引言

所謂實(shí)時(shí)系統(tǒng)(real－time system)是指其在計(jì)算和動(dòng)作方面具有性能期限、對(duì)于外界的刺激都能由計(jì)算機(jī)給出及時(shí)響應(yīng)的系統(tǒng)[1]．全球許多科技公司和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)Linux的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了研究和改進(jìn)．在眾多改進(jìn)方案中，實(shí)時(shí)應(yīng)用接口(Real－TimeApplication Interface，RTAI)和實(shí)時(shí) Linux(Real－time－Linux，RT－Linux)以其出色的性能，成為了目前主流Linux實(shí)時(shí)性改進(jìn)方案．RTAI與RT－Linux相比，其結(jié)構(gòu)更加靈活，代碼修改量更小，研發(fā)周期更短[2]．

RTAI項(xiàng)目是由意大利米蘭理工學(xué)院航天工程系發(fā)起開(kāi)發(fā)的遵循GPL的開(kāi)源項(xiàng)目，RTAI在ARM平臺(tái)上的移植，是從 3．2版本開(kāi)始的，是基于Adeos實(shí)現(xiàn)的，它的硬件抽象層HAL使用Adeos提供的服務(wù)．也就是說(shuō)，RTAI實(shí)現(xiàn)了Adeos中的一個(gè)域，通過(guò)Adeos實(shí)現(xiàn)RTAI域的初始化、中斷的申請(qǐng)、中斷服務(wù)程序的注冊(cè)等[3]．

RTAI在Adoes系統(tǒng)中的域優(yōu)先級(jí)高于Linux域(也就是根域)，每當(dāng)中斷到來(lái)之后，Adeos先調(diào)度RTAI對(duì)該中斷進(jìn)行處理、執(zhí)行中斷相關(guān)的實(shí)時(shí)任務(wù)，只有當(dāng)RTAI沒(méi)有實(shí)時(shí)任務(wù)和中斷需要處理的時(shí)候，Adeos才會(huì)調(diào)度Linux運(yùn)行，這就保證了RTAI的中斷響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)任務(wù)不受Linux的影響，從而提供了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的可確定性[4]．

1 Linux操作系統(tǒng)的編譯與實(shí)現(xiàn)

1．1 Linux系統(tǒng)的安裝、內(nèi)核及RTAI選型

我采用的是 Ubuntu 8．04．4 的 Wubi安裝，8．04．4是Ubuntu系統(tǒng)的穩(wěn)定版本，這樣成功性較高．首先查看一下默認(rèn)的內(nèi)核版本，在終端內(nèi)輸入指令zj@zj－desktop:～$uname–r顯示默認(rèn)的內(nèi)核版本是 2．6．24．26 － generic．那么接下來(lái)就要選擇一款RTAI的版本，我選擇了RTAI－3．7，進(jìn)入RTAI－3．7 的/rtai－3．7/base/arch/i386/patches，可以查看此版本RTAI支持的內(nèi)核版本．如圖1所示．

圖1 支持的內(nèi)核版本

由此我們選擇了 Linux －2．6．20．21．登錄已安裝完成的Ubuntu系統(tǒng)，在終端輸入

進(jìn)入/usr/src目錄，解壓文件此時(shí)會(huì)在/usr/src目錄下出現(xiàn)兩個(gè)文件夾linux－2．6．20．21 和 rtai－3．7

1．2 內(nèi)核配置

接下來(lái)給內(nèi)核打上相應(yīng)的RTAI補(bǔ)丁，首先確保安裝patch工具

配置Linux內(nèi)核，內(nèi)核兩種編譯模式:編譯成內(nèi)核與編譯成模塊．可以把相應(yīng)部分編譯到內(nèi)核中，也可以把該部分編譯成模塊，動(dòng)態(tài)調(diào)用．如果編譯到內(nèi)核中，在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)就可以自動(dòng)支持相應(yīng)部分的功能，這樣的優(yōu)點(diǎn)是方便、速度快，機(jī)器一啟動(dòng)，這部分功能同時(shí)啟動(dòng);缺點(diǎn)是會(huì)使內(nèi)核變得龐大起來(lái)，不管你是否需要這部分功能，它都會(huì)存在(這是Windows的做法)．

如果編譯成模塊，就會(huì)生成對(duì)應(yīng)的．o文件，在使用的時(shí)候可以動(dòng)態(tài)加載，優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)使內(nèi)核過(guò)分龐大，缺點(diǎn)是你得自己來(lái)調(diào)用這些模塊．建議經(jīng)常使用的部分直接編譯到內(nèi)核中，比如輸入設(shè)備、網(wǎng)卡等．

在ubuntu下推薦使用圖形化的配置菜單，可以先執(zhí)行命令make mrproper，它將清除目錄下所有配置文件和先前生成核心時(shí)產(chǎn)生的中間文件[5]．

如圖2←no

(2)．Enable loadable module support→(允許可裝載的模塊支持)→ Module versioning support(模塊支持的版本)=no不同的內(nèi)核在使用同一模塊時(shí)區(qū)別于塔原有的模塊，此處不選．

Enable loadable module support→Module unloading(模塊卸載)這個(gè)選項(xiàng)可以卸載不再使用的模塊，如果不選將不能卸載任何模塊．

(3)．Processor type and features→(處理器的類(lèi)型和特性)→Symmetric multi－processing support(對(duì)稱(chēng)多處理器支持)=no如果有多個(gè)CPU或者使用的是多核CPU就選上．此時(shí)"Enhanced Real Time Clock Support"選項(xiàng)必須開(kāi)啟，"Advanced Power Management"選項(xiàng)必須關(guān)閉

圖2 內(nèi)核配置界面

Processor type and features→Interrupt pipeline=yes

Processor type and features→Subarchitecture Type(子構(gòu)架類(lèi)型)=PC－compatible標(biāo)準(zhǔn)的PC或兼容機(jī)．

Processor type and features→Processor family(處理器系列)=core 2/newer xeon根據(jù)實(shí)際CPU選擇，我的電腦是酷睿雙核．

Processor type and features→Generic x86 support(通用x86支持)=no CPU能在上述”P(pán)rocessor family”中找到就可不選

Processor type and features→Multi－core scheduler support(針對(duì)多核CPU進(jìn)行調(diào)度策略?xún)?yōu)化)=yes

Processor type and features→Preemption Model(內(nèi)核搶占模式)→Preemptible Kernel(Low－Latency Desktop)(適合運(yùn)行實(shí)時(shí)程序的主動(dòng)內(nèi)核搶占)→yes

(4)．Power management options(ACPI，APM)→Power Management support(電源管理選項(xiàng))=no電源管理有APM和ACPI兩種標(biāo)準(zhǔn)且不能同時(shí)使用，即使關(guān)閉該選項(xiàng)，X86上運(yùn)行的Linux也會(huì)在空閑時(shí)發(fā)出HLT指令將CPU進(jìn)入睡眠狀態(tài)．

Power management options(ACPI，APM)→CPU Frequency scaling(CPU變頻控制)→CPUF requency scaling Power management options=no CPU變頻控制允許在運(yùn)行中改變CPU主頻，達(dá)到省電和降溫的目的，但是這個(gè)驅(qū)動(dòng)不會(huì)自動(dòng)改變CPU的時(shí)鐘速度，選擇no．

注意主菜單最后有兩項(xiàng):

Load an Alternate Configuration File

Save an Alternate Configuration File

先選第一項(xiàng)的意思是，你也可以使用當(dāng)前系統(tǒng)正在使用的配置文件來(lái)配置將要編譯的內(nèi)核，然后選第二項(xiàng)保存，最后退出配置界面．操作方法如下:

假如當(dāng)前系統(tǒng)正在使用的內(nèi)核版本號(hào)為L(zhǎng)inux－＜current version＞，其正在使用中的內(nèi)核配置為/usr/src/linux－h(huán)eaders－＜current version＞－generic/．config將其拷到/usr/src/linux－ ＜new version＞目錄下．

然后選擇Load An Alternate Configuration File讀取配置文件，然后再此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改最后保存退出．

圖3 生成的鏡像文件和頭文件

1．3 編譯及安裝內(nèi)核

當(dāng)編譯結(jié)束后，會(huì)在/usr/src目錄下生成兩個(gè)文件，分別是鏡像文件和頭文件，如下圖－3所示，然后需要安裝這兩個(gè)文件．進(jìn)入目錄，安裝鏡像文件和頭文件

安裝后將得到了三個(gè)非常重要的文件，分別是System．map，config 和 vmlinuz，這三個(gè)文件應(yīng)該已經(jīng)被拷貝到/boot/路徑下．重啟系統(tǒng)，進(jìn)入新配置的內(nèi)核環(huán)境

root@zj－desktop:/usr/src#reboot

2 編譯RTAI

如圖－4編譯RTAI

圖4 RTAI配置界面

圖5 RTAI運(yùn)行結(jié)果

root@zj－ desktop:/usr/src/rtai－3．7#make

安裝RTAI

root@zj－ desktop:/usr/src/rtai－3．7#make install測(cè)試Linux－RTAI

運(yùn)行結(jié)果如圖5所示

3 結(jié)論

(1)RTAI實(shí)現(xiàn)了Adeos內(nèi)的一個(gè)域，這個(gè)域的優(yōu)先級(jí)高于Linux內(nèi)核所在的根域，可以保證所有的RTAI中斷和實(shí)時(shí)任務(wù)都不會(huì)受Linux本身的影響，從而確保快速的中斷響應(yīng)和實(shí)時(shí)任務(wù)的按時(shí)完成．

(2)一個(gè)基于Linux和RTAI的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)．經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:相關(guān)改進(jìn)是正確、有效的，擴(kuò)展后的RTAI能夠依照所設(shè)定的調(diào)度算法對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行正確調(diào)度，RTAI的實(shí)時(shí)性能也得到了提升．

(3)實(shí)踐證明 Ubuntu8．04．4 比較穩(wěn)定，而 9．10版本在reboot之后，會(huì)提示“you need load the kern first”，結(jié)果添加啟動(dòng)項(xiàng)之后仍然不成功，這是因?yàn)楸旧?．10內(nèi)核的Wubi安裝的一個(gè)Bug．

[1] 阮鴻芳，鐘家騏．Linux與硬實(shí)時(shí)擴(kuò)展系統(tǒng)——RTAI的分析與研究[J]．嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用，2007，23．

[2] 劉鑫，陸文娟，范海濤．基于RTAI嵌入式Linux硬實(shí)時(shí)性能研究與實(shí)現(xiàn)[J]．嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用，2006．

[3] 范海濤，王樹(shù)民．基于RTAI的uClinux硬實(shí)時(shí)性能的實(shí)現(xiàn)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2006，26(3)．

[4] 甘玲，劉柄宏．基于ADEOS的RTAI/Linux的研究及其實(shí)時(shí)性測(cè)試[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2009，27(2)．

[5] 張巍，李俊，潘金貴．基于RTAI的實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)構(gòu)筑及其嵌入式程序移植[J]．計(jì)算機(jī)科學(xué)，2007，34(11)．