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RTLinux下的一種實時應用通信機制
摘要：RTLinux實時應用程序的開發模式；詳細說明兩種在實時模塊與非實時模塊之間進行通信的主要通信接口的實現和使用方式；提出一種將以上兩種接口有機結合的實時應用內部通信機制，并通過實驗證該方法的可操作性。關鍵詞：RTLinux通信接口實時共享內存RT_FIFO
實時性是多任務嵌入式系統的基本特征之一，主要表現為對重要性各不相同的任務進行統籌兼顧的合理調度能力。根據應用系統對時限要求的嚴格程度又分為軟實時和硬實時。
RTLinux作為Linux最為通用的幾種硬實時擴展之一，表現了良好的硬實時性。同時，為了更有效地為各種實時應用服務，提供了多種與Linux中非實時進行通信的接口，主要有共享內存、RT_FIFO和線程信號驅動機制，三者的應用重點各不相同。其中前兩種較為常用[1]。由于不的實現機理，這兩種接口的應用范疇各有側重。經過實踐，筆者認為將以上兩種接口有機地結合，利用共享內存傳送大容量、對讀/寫時序要求不高的數據信息；同時，利用RT_FIFO輔助實現對該共享內存的同步控制，能夠綜合兩者的優勢，是RTLinux下一種十分有效的實時應用通信模式。
1RTLinux的結構和應用程序開發模式
作為Linux的硬實時擴展，RTLinux一個重要的計準則在于：盡可能多地利用Linux內核所能提供的功能[2]。
顯示、記錄、設備初始化、阻塞式動態資源分配和模塊化內核管理等無實時要求或者與硬實時性要求相悖的服務均由Linux提供。RTLinux內核則主要為實時任務提供對硬件的直接訪問，使得它們具有最小的延遲和最優先的處理器利用權。
基于以上準則，RTLinux中的實時應用程序開發通常具有一個通用的模式，如圖1所示。按照運行環境和對實時要求的嚴格程度分為實時和非實時兩個模塊。非實時模塊的功能包括結果數據顯示。用戶交互、數據存儲等；實時模塊主要負責響應數據采集外設的中斷，結果數據的采集。兩者通過RT_FIFO或者共享內存進行通信，組成一個完整的實時數據采集程序。
2RTLinux中的兩種通信接口
RTLinux提供了RT_FIFO和共享內存兩種標準通信接口，用于實時任務和非實時任務之間的交互。
2.1RT_FIFO
RT_FIFO（First-In-First-Out，先進先出）是一種提案隊列機制組織的字符設備。在Linux文件系統中，主設備號為150。一個系統平臺中能夠同加載FIFO的模塊數RTF_NO定義在rt_fifo_new.c中，一般為64，在文件系統中分別對慶設備文件/dev/rtf0..63。在系統資源允許的情況下，一個用戶進程所能同時使用的FIFO數和每個FIFO的容量是沒限制的。
RT_FIFO具有如下特征：
*隊列中的數據傳送采用數據流形式，必須自行定義數據邊界監測機制，尤其對于不定長度數據的傳輸。
*具備完善的同步阻塞機制，利用同一FIFO進行通信的兩進程間無需自行增加同步控制。
*一種點對點的通信通道，不支持單生產者、多消費者的使用模式。
作為一個完善的隊列模塊，RT_FIFO的使用簡便易行，具體實現主要包括創建、讀/寫操作、釋放三個步驟。在Linux文件系統中，RT_FIFO是一個字符設備文件，所以在非實時線程中訪問RT_FIFO時，使用標準的字符設備讀/寫函數即可（read、write、open、close，etc）。以上函數的調用方式均為阻塞式調用：當FIFO中有數據可讀時，立即返回；否則，會陷入無限等待之中。
從RT進程中訪問RT_FIFO，所涉及到的RTLAPI如下：
#include<rtl_fifo.h>
[創建]
intrtf_create(unsignedintfifo,intsize);
內核空間中，為編號fifo的RT_FIFO設備分配size字節的緩沖區。fifo對應于所使用RT_FIFO的次設備號。
[釋放]
intrtf_destroy(un
signedintfifo)；
釋放內核空間中次設備號為fifo的RT_FIFO設備緩沖區。
注意：以上兩個函數涉及到內核空間的緩沖區分配，必須分別在Linux的init_module（）和cleanup_module()中調用，或者在用戶空間通過PSC（theuser-levelreal-timesignallibrary,用戶級實時庫函數）進行調用。
[讀/寫操作]
intrtl_get(unsignedintfifo,char*buf,intcount)；
從FIFO中讀出長度為count字節的數據，存放buf之中。
Intrtf_put（unsignedintfifo,char*buf,intcount）；
將長度為count字節的數據寫入FIFO中。
Intrtf_create_handle(unsignedintfifo,int(&handler)(unsignedintfifo))；
創建一個回調函數句柄，當FIFO被Linux進程讀/寫時，被調用。通常與rtl_get結合使用，用于異步的從Linux進程中接收數據，從而避免采用輪詢的方式。
2.2共享內存
共享內存是指被閑置出來專用于內核空間和用戶空間進行通信的內存區域。相對于FIFO具有如下特點：
*應用程序必須自己定義相應的協議，對于寫入共享數據區域的有數據進行保護，如同步控制等。
*數據可以既定格式讀/寫，各個數據域的更新十分便易。
*不是點對點的通信通道，可以支持多生產者、多消費者的使用模式，能夠同時被多個線程訪問。
在RTLinux下，共享內存的使用可采用以下兩種方式：
�。�1）利用RTLinux中附帶的mbuff模塊
在使用mbuff之前，要求系統中已經加載了mbuff.o模塊。該模塊中的兩個函數被分別用于分配和釋放所需的內存空間。
#include<mbuff.h>
[分配]
void*mbuff_alloc(constchar*name,intsize)；
從內核空間中分配一塊與name相連，大小為size字節的內存空間，返回地址指針，設備這塊空間的引用標識為1。如與name相連的內存空間已經存在，就僅僅返回指向該空間的地址指針，同時將其引用標識加1。
[釋放]
voidmbuff_free(constchar*name,intsize)；
將mbuff的引用標識減1。當引用標識被減為0時，釋放mbuff。
注意：①mbuff_alloc使用了vmalloc函數，由于分配內核空間的需要，會交換出一系列的內核空間頁面，所以在實時線程、中斷處理線程、定時器中斷線程中調用這個函數是十分危險的。
�、谠谶M程結束前，一定要調用mbuff_free函數。Mbuff所占內存空間不會因為其引用進程的結束而自行釋放。
�。�2）高地址空間物理內存的直接隔離
在系統啟動時，隔離出一定大小的高地址空間物理內存，使其脫離系統運行環境，作為專用的共享內存區域。
圖4共享內存互斥操作流程圖
在Linux啟動配置文件中，插入一行以append關鍵字起始的命令行，即可實現高端內存空間的隔離。修改后的/etc/lilo.conf文件如下所示：
image=/boot/zImage
label=rtlinuxX.X
root=/dev/hda2
read_only
append=“mem=Xm”
其中，mem的值對應于被隔離空間的起始地址，可以由物理內存總容量減去所需共享空間容量得到。但是必須注意，被隔離出的共享空間的容量必須小于
/usr/include/asm/param.h文件中定義的頁面長度。IntelPentium系列芯片的頁面長度為4MB。
對共享內存空間的存取操作通過訪問其基址來實現。必須首先定義共享內存空間的基址。
#defineBASE_ADDRESS(127×0x100000)
在實時和非實時模塊中有不同的基址訪問方法。寫時模塊運行于內核地址空間，可以直接將基址作為地址指針進行存取，使用語句如下：
unsignedshort*sharemem;
sharemem=(unsignedshort*)__va(BASE_ADDRESS);
非實時模塊運行于用戶地址空間，必須先將該物理地址映射入該進程虛擬地址空間后，才能對其進行存取。使用命令如下：
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
intfd；
unsignedshort*sharemem；
fd=open("/dev/mem",O_RDWR);①
sharemem=(unsignedshort*)mmap(0,buflen,
PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_FILE|MAP_SHARED,
Fd,BASE_ADDRESS);②
注①：訪問物理內存必須打開與其對應的設備文件/dev/mem。
注②：mmap命令的作用是將設備文件fd中，從當前進程的虛擬地址空間，其返回值可被非實時進程存取。
以上兩種方式在實現機理上的不同之處在于，mbuff利用vmalloc從內核地址空間分配的共享內存空間僅僅在邏輯上連續，空間的大小不受實際物理內存空間的限制；而直接隔離物理內存所獲取的緩沖區物理上連續，但是大小受到物理內存空間和當前系統狀況的限制。共同之處在于，所獲得的內存均被隔離于系統內核的運行環境之外，不會在頁面交換中被換出，所以以上兩種方法均適用于實時應用之中。
3兩種通信接口的結合
以上兩種通信接口具有不同的適用范疇，為了實現一個完整的實時應用，通常需要將兩者結合，以一個實時數據采集程序為例，實時模塊和非實時模塊之間通常需要傳送兩種類型的數據；結果數據和控制信息。
結果數據：由實時模塊周期性產生。非實時模塊用于顯示和存儲，對讀/寫的時序性要求不高，但是通常需要由多個用戶共享，因此，利用共享內存模塊傳輸比較適合。
控制信息：主要用于實現非實時模塊和實時模塊之間的交互控制，數據量小，但是比較注重信號讀/寫的時序性和通信過程中實時性，采用RT_FIFO實現比較適合。
圖2為通用的抽象數據流圖。
3.1共享內存的內步控制和RT_FIFO的使用
由于對共享內存的存取通過直接訪問指針來實現，操作系統不會為其提供任何同步控制，應用程序必須自行提供握手機制，來保證讀/寫進程之間同步。
實現同步的一種方式是接收方和發送方利用消息通信來實現握手。接收方對共享內存以輪詢的方式監測新數據的到來，然后發送接收信息。為了實現握手，發送方對于每條接收消息都必須回復一個確認消息，新的接收消息只有在收到確認消息以后才能發出。
這種方式在實時模塊和非實時模塊中均須要采用輪詢的方式監測新數據和消息的到來，因此會占用較多的處理器資源。所以，可以考慮利用RT_FIFO實現實時模塊和非實時模塊之間對共享內存的存取同步。利用RT_FIFO所提供的句柄功能能夠避免實時模塊對接收消息的輪詢監測，在一定程度上提高程序運行效率。
具體實現，可以通過利用RT_FIFO實時傳輸當前所寫入或被讀出的共享內存塊序號，實現實時進程和非實時進程之間的步。因為RT_FIFO是一種單向傳輸隊列，為了實現交互，需要兩個傳輸方向相反的RT_FIFO，連接于兩個模塊之間，如圖3所示。
圖3中，BufNo為筆者自行定義的隊列。它的使用主要是為了避免由于RT_FIFO引起的實時部分和非實時部分之間的死鎖。
實時部分和非實時部分的各線程路之間對共享內存的訪問為異步進行；同時，RTLinux中對RT_FIFO
的進行讀/寫的API函數，為阻塞式操作。當FIFO0中目前沒有可讀數據時，對rtf_get函數的調用會使程序陷入無限等待之中，很容易造成實時模塊和非實時模塊之間的死鎖。
為了避免這種情況，可以將BufNo作為緩沖區與FIFO0的句柄結合使用，臨時存放FIFO0中被非實時線程寫入的塊序號。實時模塊不再對FIFO0進行讀/寫，而是改由BufNo隊列中獲取當前有效的共享內存序號。如果當前無可用數據，則進入周期等待狀態。
3.2共享內存訪問的互斥
對共享內存訪問的互斥操作，包括兩個方面：實時模塊與非實時模塊之間的互斥、非實時模塊中各采集線程之間的互斥。
�。�1）實時模塊與非實時模塊之間的互斥
多線程之間對共享資源訪問的互斥，是操作系統中一個重要的研究分支。但是在實時模塊和非實時模塊之間，問題變得相對簡單。因為，在實時進程和非實時進程之中，實時進程和非實時進程運行的環境區別很大。工作于RTLinux環境下的實時進程具有最高的優先級，不可能被非實時進程中斷。所以，在實現互斥時，只須保護非實時進程對共享資源的訪問即可。
抽象流程如圖4所示。利用共享內存區域的第一個字節作為訪問標識，實現非實時模塊對實時模塊的互斥。
非實時進程開始訪問共享區域時，將此標識置位；訪問結束時，復位。實時進程在訪問共享區域前先檢測該標識，如果標識允許訪問，則執行寫入操作；反之，掛起等待標識位復位，按既定周期T輪詢。
實時進程的既定周期T的設置十分重要，周期過長，會增加發生沖突后的等時間，導致共享內存狀態改變時，無法被及時寫入；周期過短，增加了系統的輪詢次數，加重實時系統的負擔。筆者在已實現的數據采集程序中，對T的不同設置，所獲得的平均數據采集率進行了統計，結果如圖5所示。
注：以上實驗的測試平臺為PentiumIII667,5400轉普通硬盤，RTLinux3.1、Linuxkernel2.4.4，數據流向為數據采集外設至共享內存然后存放硬盤，數據的產生頻率為10ms。
�。�2）非實時模塊之間的互斥
非實時模塊中異步執行的各采集線程之間，可以利用互斥變量的加鎖和解鎖實現對共享內存訪問的互斥。由于互斥區的執行體內，每次只允許一個線程進入，為了保證程序的執行效率，在互斥區中不宜使用耗時較長或阻塞式調用的函數。
4結論
在RTLinux提供的實時模塊和非實時模塊之間的通信接口中，RT_FIFO和共享內存較為常用，分別適用于不同的數據類型通信。本文提出的這種方法，能充分利用兩者的優點，方便地實現實時與非實時之間海量數據通信。目前已在rtLinux3.1、Linuxkernel2.4.4系統平臺上成功實現，并取得了令人滿意的效果。
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