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統(tǒng)故障。
由于mbuff是一種Linux驅(qū)動程序,其功能可通過設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/mbuff實(shí)現(xiàn)。該節(jié)點(diǎn)可顯示幾個錄入點(diǎn),其中包括可將內(nèi)核空間地址映射到用戶空間的mmap()。它還可以利用錄入點(diǎn)ioctl()來控制。然而,并不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及直接調(diào)用ioctl。相反,mbuff可為ioctl()調(diào)用提供一個包裹,而且僅僅調(diào)用兩個簡單的功能即可配置和釋放共享的存儲緩沖器。
當(dāng)然,不能從實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)用mbuff驅(qū)動程序,因?yàn)樵擈?qū)動程序所調(diào)用的虛擬存儲器分配功能本身是不確定性操作。分配共享存儲器所需的時(shí)間依賴于主系統(tǒng)的存儲器容量以及CPU速度、磁盤驅(qū)動器性能和存儲器分配的現(xiàn)有狀態(tài)。因此,只能從模塊的Linux內(nèi)核一側(cè)來分配共享存儲器,比如從init_module()或一個ioctl()請求開始。
那么,一個共享緩沖器到底能分配多少存儲器呢？如果不是任務(wù)繁重的服務(wù)器或圖形應(yīng)用,建議至少為Linux保留8MB存儲空間。為了獲得優(yōu)化的配置,可在限制存儲器大小的同時(shí)測量實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的性能,以確定需要多少存儲空間。
內(nèi)核模塊和用戶任務(wù)采用同樣的功能集。當(dāng)然,要想使用insmod mbuff.o,還必須將之置于Linux內(nèi)核中。例如,mbuff_alloc("buf_name", size)可將符號名buf_name分配給一個緩沖器,而mbuff_free("buf_name", mbuf)可將之釋放。
當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用帶有符號緩沖器名的mbuff_alloc()時(shí),mbuff執(zhí)行實(shí)際的存儲器分配。而當(dāng)從內(nèi)核模塊或用戶進(jìn)程再次調(diào)用該功能時(shí),它只是簡單地增加使用數(shù)(usage count)及將指針返回現(xiàn)有的緩沖器。每次調(diào)用mbuff_free()都會減少使用數(shù),直至為零,這時(shí)mbuff就去分配帶符號名的緩沖器。這種方法從多個內(nèi)核模塊和用戶進(jìn)程獲得一個指向同一共享緩沖器的指針,從而解決了問題。它還可確保共享緩沖器一直有效,直到最后的應(yīng)用程序釋放它。請注意,是實(shí)時(shí)內(nèi)核還是用戶進(jìn)程執(zhí)行實(shí)際的buf1配置依賴于誰先獲得控制權(quán)。
還有一個“笨”方法可在實(shí)時(shí)應(yīng)用程序、內(nèi)核模塊和用戶應(yīng)用程序間共享存儲器。對于嵌入式應(yīng)用,該方法還是可以接受的。例如,如果PC帶有128MB RAM,可將線搜索路徑="mem=120m"添加進(jìn)lilo.conf文件。當(dāng)啟動帶有Linux內(nèi)核和RTLinux 2.3的系統(tǒng)時(shí),Linux僅使用120MB內(nèi)存。OS也不用剩下的8MB內(nèi)存(物理地址為0x7F00000到0x7FFFFFF),而是留給在OS下運(yùn)行的各種任務(wù)共享。要想從用戶進(jìn)程獲取存儲器地址并訪問預(yù)留的存儲器,必須用O_RDWR訪問模式來打開/dev/mem驅(qū)動程序,然后利用mmap()保留存儲器。而從實(shí)時(shí)模塊或內(nèi)核驅(qū)動程序一側(cè)進(jìn)行,則必須使用ioremap(0x7F00000, 0x100000)才能獲取這8MB (0x100000字節(jié))預(yù)留內(nèi)存。
這種方法有利有弊。既不能通過預(yù)留內(nèi)存的所有權(quán),也不能通過讀或?qū)憗慝@取控制權(quán)。正確地配置和釋放大量內(nèi)存的機(jī)制尚未問世。另外,無論實(shí)時(shí)進(jìn)程是否需要,該內(nèi)存都不能為Linux所用。
也許存儲器共享笨方法的唯一適用場合是專為特定應(yīng)用而定制的小型嵌入式系統(tǒng),因?yàn)榇藭r(shí)可為小型化而放棄使用mbuff驅(qū)動程序。
中斷
RTLinux有兩種中斷：硬中斷和軟中斷。軟中斷就是常規(guī)Linux內(nèi)核中斷,它的優(yōu)點(diǎn)在于可無限制地使用Linux內(nèi)核調(diào)用。這類中斷作為硬中斷處理的第二部分還是相當(dāng)有用的。
硬(實(shí)時(shí))中斷是安裝實(shí)時(shí)Linux的前提。要安裝中斷處理程序,先調(diào)用rtl_request_irq(...),然后調(diào)用rtl_free_irq()釋放它。依賴于不同的系統(tǒng),實(shí)時(shí)Linux下硬(或?qū)崟r(shí))中斷的延遲是15μs的數(shù)量級。較快的處理器具有較好的延遲。如果想在實(shí)時(shí)處理程序和常規(guī)Linux驅(qū)動程序中處理同一設(shè)備IRQ,必須為每一個硬中斷單獨(dú)設(shè)置IRQ。
RTLinux在執(zhí)行實(shí)時(shí)中斷處理程序時(shí)將禁止IRQ。應(yīng)注意,該代碼須在退出實(shí)時(shí)中斷處理程序前調(diào)用rtl_hard_enable_irq()才能重新使能中斷。
有兩個問題影響直接從實(shí)時(shí)中斷處理程序調(diào)用Linux內(nèi)核功能：內(nèi)核禁止所有中斷及不定義執(zhí)行內(nèi)容。還應(yīng)注意的是,這里也不能執(zhí)行浮點(diǎn)操作。利用實(shí)時(shí)中斷處理程序來控制線程執(zhí)行是避免出現(xiàn)這些問題的好辦法。本例采用pthread_wakeup_np()功能來喚醒一個實(shí)時(shí)線程。中斷處理程序可處理即時(shí)的工作,余下的由該線程解決。
SMP結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
實(shí)時(shí)Linux都支持多處理器架構(gòu)。對稱多處理器(SMP)結(jié)構(gòu)采用了高級可編程中斷控制器(APIC),奔騰級處理器都有片上本地APIC,可為本地處理器傳送中斷。SMP(甚至單處理器母板)都有I/O APIC,可收集來自外設(shè)的中斷請求,并將它們傳送給本地APIC。舊的8259 PIC速度很慢,所處理的中斷向量數(shù)不充分,迫使設(shè)備共享中斷,使得中斷處理更慢。但是,APIC可解決這些問題。通過為每個設(shè)備請求設(shè)置一個特定的IRQ,系統(tǒng)可減少中斷延遲,APIC還可加速同步代碼。
實(shí)時(shí)Linux可充分利用APIC。在SMP系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)調(diào)度程序利用APIC,而不是采用過時(shí)的8254芯片來完成時(shí)序分配。由于PC的兼容性,8254位于每一個ISA總線上,而且每一個再編程設(shè)備的調(diào)用都要占用處理器周期。一個千兆赫CPU要浪費(fèi)數(shù)百個處理器周期來等待8MHz定時(shí)器(大約2.5μs)。APIC工作在總線頻率,而且可立即執(zhí)行所有的定時(shí)器操作,這意味著必須利用本地APIC時(shí)鐘在AMP機(jī)器上獲取更高的周期性頻率(雙P-III-500 CPU可在100kHz運(yùn)行周期性實(shí)時(shí)線程,而無明顯的性能損失)。
實(shí)時(shí)Linux能很好地執(zhí)行多處理任務(wù),它為每個CPU實(shí)施單獨(dú)的進(jìn)程。調(diào)用pthread_create()可創(chuàng)建一個在現(xiàn)有CPU上運(yùn)行的線程。還可用pthread_attr_setcpu_np()將該線程分配給一個特定的CPU,以改變線程屬性。在調(diào)用這一功能之前,必須首先初始化線程屬性。
RTLinux v. 3包括reserve_cpu功能,可預(yù)留SMP平臺上的一個CPU,專供RTLinux使用。它可運(yùn)行于2.4x內(nèi)核,RTAI也具有幾乎同樣的功能。
如果想將任務(wù)分給某一特定的CPU,請留意“pset”方案(http://isunix.it.ilstu.edu/thockin/pset/)。利用該內(nèi)核可將一個SMP處理器專門分配給一個用戶應(yīng)用程序,甚至可從Linux處理器組中調(diào)用一個處理器專用于實(shí)時(shí)任務(wù)。
同步基元
早期的實(shí)時(shí)Linux沒有同步基元�，F(xiàn)在,POSIX型的旗語、互斥和信號在最新的實(shí)時(shí)Linux版本中都已出現(xiàn)。雖然在實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)中采用這些同步基元還存在問題,但同步或用信號表示實(shí)時(shí)任務(wù)和用戶應(yīng)用程序很有意義,然而,這要求軟件開發(fā)者具有高超的技能,這一問題已超出本文的討論范圍。
快速學(xué)習(xí)pthread_mutex_init()、pthread_mutex_lock()、pthread_mutex_trylock()、pthread_mutex_unlock()和pthread_mutex_destroy()等同步功能的最好方法是查看./examples/mutex/mutex.c。特別要提醒的是./examples/mutex/sema_test.c文件是學(xué)習(xí)旗語的很好起點(diǎn)。
實(shí)時(shí)Linux發(fā)展方向
實(shí)時(shí)Linux與Linux一樣仍然處于不斷發(fā)展之中。每一個新的版本都添加了更多的特性和功能。實(shí)時(shí)Linux正朝著更好的POSIX 1003.x實(shí)現(xiàn)方向發(fā)展,最新的特性包括用戶空間進(jìn)程的實(shí)時(shí)支持、互斥、信號、旗語、實(shí)時(shí)存儲器管理和擴(kuò)展的SMP支持等。如果還未確定下一個項(xiàng)目采用哪個實(shí)時(shí)系統(tǒng),可下載一種實(shí)時(shí)Linux版本了解一下。其實(shí),Linux已經(jīng)是一種成熟的OS,而且具備實(shí)時(shí)擴(kuò)展版本,它是嵌入式應(yīng)用的最佳選擇之一。
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