冷火實時Linux平臺設(shè)計與實現(xiàn)

冷火實時Linux平臺設(shè)計與實現(xiàn)童湘彪（深圳市金宏威技術(shù)股份有限公司深圳518055）摘要：提出并設(shè)計了一種實時Linux平臺。該平臺利用CPU中斷可分優(yōu)先級控制的特點，采用“實時中斷+內(nèi)核線程”的應(yīng)用模式，簡化了實時Linux平臺的設(shè)計，提高了平臺的可靠性，降低了應(yīng)用的開發(fā)移植難度，非常適合在電力行業(yè)的變配電系統(tǒng)中應(yīng)用。關(guān)鍵字：實時Linux;實時中斷繼電保護配電自動化引言因為LINUX免費、源代碼開放、內(nèi)核穩(wěn)定可靠、支持眾多CPU體系架構(gòu)、具有強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，所有其在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但在嵌入式系統(tǒng)中，Linux也有一個較大缺陷----實時性不強，在某些嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中，關(guān)鍵任務(wù)對實時性有較高要求。針對此缺陷，很多嵌入式操作系統(tǒng)廠商對Linux的實時性進行了改進，誕生了許多實時Linux版本，各種版本各有優(yōu)缺點，這里不展開介紹，以下為冷火實時Linux平臺的特點：?實時性能好，在CPU主頻250Mhz的情況下，實時中斷延時＜5us。?平臺設(shè)計原理和實現(xiàn)方法簡單易懂。?實現(xiàn)了實時FIFO和實時消息隊列，用于實時中斷和普通Linux進程之間的通訊。?除了實時中斷外，并沒有實現(xiàn)單獨的實時進程，大大簡化了實時平臺的設(shè)計，提高了平臺的可靠性?；谝陨咸攸c，冷火實時Linux平臺適用于高實時性和高可靠性的系統(tǒng)，目前已在電力行業(yè)的變配電系統(tǒng)中得到應(yīng)用，取得良好的效果。冷火實時Linux平臺應(yīng)用場景如下：常規(guī)LINUX內(nèi)核和非實時任務(wù)非實時輸入非實時輸出非實時輸入非實時輸出實實時通訊層：實時軟中斷、實時FIFO、實時消息隊歹0實時令時輸輸入 \1/實時中斷程序（中斷級別4?6） \1/出關(guān)鍵實時任務(wù)圖1冷火Linux平臺應(yīng)用場景優(yōu)先級低應(yīng)用服務(wù)進程系統(tǒng)內(nèi)核線程DTU主應(yīng)用C內(nèi)核P線程U程序系統(tǒng)普通中斷應(yīng)用實時中斷、'卜FTPSERVERVTkthreaddV pdflush應(yīng)用服務(wù)進程系統(tǒng)內(nèi)核線程DTU主應(yīng)用C內(nèi)核P線程U程序系統(tǒng)普通中斷應(yīng)用實時中斷、'卜FTPSERVERVTkthreaddV pdflushWEBSERVER.ksoftirqd104規(guī)約網(wǎng)絡(luò)調(diào)試通訊線程 通訊線程內(nèi)核串口中斷采樣中斷內(nèi)核定時器

中斷對時中斷廣TELNETSERVERkblockdGDBSERVERevents維護命令通訊線程主循環(huán)

線程以太網(wǎng)中斷測頻中斷CAN中斷實時通訊層:■FIFO實時軟中斷保護中斷DTU主應(yīng)用程序優(yōu)先級高圖2具體應(yīng)用實例原理簡介利用某些CPU（例如Freescale的MCF5441X）中斷可以分優(yōu)先級控制的特點，將高優(yōu)先級別中斷分配給實時任務(wù)，將低優(yōu)先級別中斷分配給Linux內(nèi)核；然后修改LINUX內(nèi)核中的中斷屏蔽函數(shù)，使其只能屏蔽LINUX中的低優(yōu)先級別中斷，不能屏蔽實時任務(wù)中的高優(yōu)先級別中斷，這樣可以確保實時任務(wù)的及時響應(yīng)。整個冷火實時Linux平臺原理實現(xiàn)框圖如下：常規(guī)Linux內(nèi)核提供文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊、進程管理、內(nèi)核同步、內(nèi)存管理等功能。r~多個常規(guī)Linux內(nèi)核應(yīng)用進程通過實時FIFO和實時消息隊列與實時中斷通訊；通過普通Linux通訊方法和常規(guī)Linux內(nèi)核通訊。文件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信/-A——_ ?/I—\進程管理(nV個- 1xlzJ1非實時中斷1優(yōu)先級低于實時中斷，中斷延時受Linux中斷屏蔽的影響。 |1實時通訊層：實時FIFO、實時消息隊列實時中斷優(yōu)先級最高，可以無條件中斷非實時中斷，中斷延時不受Linux中斷屏蔽影響，中斷延時＜5us。實時軟中斷■,■圖3冷火實時Linux平臺原理實現(xiàn)框圖具體實現(xiàn)下面以Freescale的MCF5441X硬件平臺為例來說明冷火實時Linux平臺的具體實現(xiàn)。實時中斷實現(xiàn)1、 將低優(yōu)先級中斷級別1?3分配給LINUX中的中斷，將高優(yōu)先級中斷級別4?6分配給實時任務(wù)。2、 修改LINUX中的中斷屏蔽函數(shù)，使其只能屏蔽3級和3級以下的中斷。3、 完善實時Linux中斷相關(guān)函數(shù)，包括實時中斷登記、注銷、允許、屏蔽等。通過以上步驟，可以達到實時中斷延時＜5us的目標值（實測＜3us）。實時中斷和內(nèi)核進程之間的通訊由于實時中斷的響應(yīng)不受Linux內(nèi)核中中斷屏蔽（local_irq_save）的影響，所以在實時中斷中不能調(diào)用和Linux內(nèi)核資源相關(guān)的函數(shù)（包括通訊同步函數(shù)），否則將破壞Linux內(nèi)核資源的一致性，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為了解決實時中斷和內(nèi)核進程之間通訊這個問題，我們設(shè)計了實時軟中斷、實時FIFO、實時消息隊列3種通訊機制。其中實時軟中斷是其它2種通訊機制的基礎(chǔ)。實時軟中斷實時軟中斷是實時中斷通知內(nèi)核進程的一種基本通訊手段，其基本原理是在非實時中斷區(qū)域申請一個最低優(yōu)先級的軟中斷（實時軟中斷），當(dāng)實時中斷中有相應(yīng)事件需要通知時，觸發(fā)此軟中斷，此軟中斷在其它高優(yōu)先級的中斷（包括實時和非實時）執(zhí)行完成后，就會響應(yīng)執(zhí)行，其服務(wù)函數(shù)可以通過up函數(shù)觸發(fā)一個信號量，喚醒正在等待此信號量的內(nèi)核進程。注意在此期間，由于軟中斷服務(wù)函數(shù)的響應(yīng)執(zhí)行，受Linux內(nèi)核規(guī)則的約束，所以不會破壞內(nèi)核資源的一致性，不會影響Linux的穩(wěn)定性。其具體過程如圖：圖4實時軟中斷實時FIFO實時FIFO是以實時軟中斷為通知手段的一種先進先出的隊列，主要用于流數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。實時FIFO使用成熟算法，僅對實時中斷屏蔽部分進行了優(yōu)化處理，這里不再敘述。實時消息隊列實時消息隊列是以實時軟中斷為通知手段的消息隊列。通過實時消息隊列，實時中斷可以向內(nèi)核進程發(fā)送長度可變的消息，并及時喚醒等待消息的內(nèi)核進程。實時調(diào)試語句輸出在冷火實時Linux平臺中，為了全面實時了解平臺的狀態(tài)，需要有大量的調(diào)試信息輸出，這些調(diào)試信息的輸出必須滿足以下幾點需求：不能影響實時中斷的性能。為了方便用戶獲取信息，必須和Linux共用同一個控制臺。為了方便用戶使用，此輸出函數(shù)應(yīng)既可在實時中斷中調(diào)用，也可在其它環(huán)境中調(diào)用。最終實時調(diào)試語句的輸出(rt_printf)通過實時FIFO和實時軟中斷配合實現(xiàn)。具體實現(xiàn)如下：圖5實時調(diào)試語句輸出

實時統(tǒng)計信息為了分析冷火實時Linux平臺的各項性能指標（例如實時中斷延時、實時中斷執(zhí)行時間、實時中斷屏蔽時間等），我們必須收集平臺的大量數(shù)據(jù)信息，為此冷火Linux平臺設(shè)計了一個實時統(tǒng)計信息模塊，統(tǒng)一了每個收集數(shù)據(jù)的內(nèi)容和顯示格式，示例顯示如下：Linux:Compiled:Jul272012-11:57:33!RESETTIME:2012-07-3017:30:211070220001UPDATETIME:2012-07-3017:32:14:744253000!nameminmaxavgsurnent［實時中斷廷時統(tǒng)計（單位:見各行）］pit_lE r(8ns)wn2^42417272RRpit_5ms_isr(128ns)32051125785422728［實時中斷屏蔽時間統(tǒng)計（單位：um）］實時中斷屏蔽□10180811641L實日寸中斷日'J間統(tǒng)計（.單位:us)Justiiner_isr-10000freq_isr□-1□0□□freq_isr1-1□0□□gps_isr22423354311364pit_5ms_isr211866150649022728pit_156us_isr832107286885727291［其它時間統(tǒng)計（單位：um）］主循環(huán)1399031361647971209other1-1□0□□□ther2-10000other3-10000other4-1□0□□other5-1□0□□other6-10000other7-1□0□□圖6實時統(tǒng)計信息實時平臺運行為了方便冷火實時Linux平臺的維護、移植，我們將冷火實時Linux平臺封裝在一個庫中，讓其和內(nèi)核應(yīng)用程序一起連接，生成一個標準的動態(tài)加載的內(nèi)核模塊，在運行時通過動態(tài)加載模式將實時Linux平臺和應(yīng)用一起加載。采用動態(tài)加載模式有如下優(yōu)勢：1、 在Freescale提供的LinuxBsp中只需要做極少量的修改，這樣當(dāng)BSP升級時，對實時平臺影響不大。2、 調(diào)試、維護方便。采用動態(tài)模塊方式編譯、下載、運行時間都很短，可以較短的時間內(nèi)完成多次代碼修改、調(diào)試工作。3、 和應(yīng)用程序一起編譯，將極大增強應(yīng)用程序員對實時Linux平臺本身的理解，將大大提高應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。運行示意圖如下：

應(yīng)用系統(tǒng)冷火實時Linux平臺應(yīng)用應(yīng)用系統(tǒng)冷火實時Linux平臺應(yīng)用BSPFreescaleMCF5441XLinuxBSP圖7冷火實時Linux平臺運行示意圖結(jié)語冷火實時Linux平臺是一個實時中斷延時低、原理和實現(xiàn)簡