uClinux操作系统的实时化分析与研究
3.3RTAI的中断处理机制
RTAI的最核心部分就是其中断处理机制。RTAI构建了一个小实时内核接管硬件及中断，支持EDF，RM两种经典实时调度算法，Linux作为此实时内核的最低优先级任务被执行。因而实时任务执行时，Linux及其应用程序将被抢占。RTAI引入了软中断模拟技术，在发生硬件中断时，实时内核只是把它放到中断记录表中，在没有实时应用运行时才向Linux派发这些被保留的中断。同时实时内核还监控Linux的开/关中断原语，以避免这些操作把实际的中断关闭而影响实时内核的响应时间。主要包括以下几个方面：
①函数替换
首先是Linux的开/关中断等函数被RTAI提供的函数所替代，这样Linux不能真正的关闭中断，而只是一个软件的机制。当外设中断到来时，RTAI的替换函数必须检查硬件中断标志是否关闭和调用是否来自RTAI上下文。在此两种情况之下，不能直接调用Linux的中断处理函数，中断分发器只用于当CPU处于Linux上下文并且Linux开中断时，才调用Linux的中断处理例程（ISR）。
②全局变量
RTAI为每个中断源定义了一个全局的数据结构：
struct linux_irq{struct list_head list;
int irq;
int masked;
int pending;}
其中list_head用于从Linux的中断挂起队列中插入或删除。irq被初始化为此结构体所对应的中断号。masked是一个标志位，可能具有以下3种值：1表示在中断延迟函数中设置；2表示由Linux中断mask函数设置；3表示由Linux中断unmask函数设置。
③中断传递
中断传递可能被RTAI中断分发器或Linux的开中断函数所调用。当Linux打开中断时，检查挂起中断链表是否为空，若不为空，则循环进行处理，直到所有中断都被处理为止。其算法如下：
while(irqlist 不空){
从irqlist队列中取出一个中断；
if(该中断正在被屏蔽) continue;
else{关闭Linux中断；执行中断处理例程；开中断；}}
3.4 RTAI的任务调度
①细粒度定时器的实现
标准Linux的定时器提供10ms的调度粒度，不足以达到实时响应速度的要求。RTAI通过提高系统时钟精度改写了时钟处理程序，使之支持更高分辨率时钟的周期模式，引入了两种定时器模式：periodic（周期性）和one shot（一次性）。对于周期性实时任务应用periodic模式，只需要在初始化时对定时器进行设置，保证了处理效率；对于非周期实时任务应用one shot模式。在任何时刻，时钟的下一次中断间隔由所有定时器中到期最早的一个来决定。一旦定时器到期，内核便能够立刻响应，内核的响应开销只由中断服务的时间所决定，使得实时应用的响应时间可以达到纳秒级的水平，完全可以满足一般工业应用实时控制的要求。
②调度机制
在实时任务之间、实时任务与Linux应用之间提供丰富的通讯机制（如FIFO管道、MBUFF共享内存等）进行通信；Linux应用可以通过这些通讯机制与实时应用交互，同时也可以通过实时内核中的实时应用代理（LXRT）运行实时任务。
任何实时任务的优先级都要高于Linux，只有当没有实时任务运行时，Linux才被调度，从而保证了RTAI的实时性。任务的调度周期在任务初始化时由程序员指定，也可在某个时刻调用API修改。rt_task_struct包含多个双向指针，所有的任务（包括Linux）都包括在各个链表中。如 ready任务链表，其中Linux为链表头，当发生调度时，RTAI在ready链表中搜寻优先级最大的任务并切换执行，当没有实时任务在ready态时，则切换至Linux系统。
4. RTAI在µClinux上的移植
4.1 RTHAL的移植
图2基于RTAI的µClinux应用程序结构
借鉴RTHAL的思想，对µClinux核心进行改动，将其与中断控制器隔离，核心中的所有中断操作指令都被替换成相应的宏。对于RTAI的移植而言，最重要的部分就是RTHAL的移植，RTAI绝大部分与处理器相关的代码都在这里，这里以作者所使用的S3C4510B（ARM7的核）和µClinux环境为例进行说明。由于RTAI已经有ARM处理器上的版本，因此可以参照ARM7处理器的RTHAL来移植到S3C4510B上。由于µClinux为针对没有MMU处理器的操作系统，因此RTAI需要去除与MMU相关的代码。对于S3C4510B和µClinux，其RTHAL主要包括如下数据结构：
｛指向IDT的指针;
打开/关闭中断函数(cli,stiflags);
控制中断mask/unmask函数;
中断状态的数据描述符(status,hander,nestedlevel,…);}
评论