RTLinux
RTLinux () - это дополнение к ядру Linux, реализующее режим "жесткого" реального времени, которое позволяет управлять различными чувствительными ко времени реакции системы процессами. По сути дела, RTLinux - это операционная система, в которой маленькое ядро реального времени сосуществует со стандартным POSIX-ядром Linux.
Разработчики RTLinux пошли по пути запуска из ядра реального времени Linux-ядра как задачи с наименьшим приоритетом. В RTLinux все прерывания обрабатываются ядром реального времени, а в случае отсутствия обработчика реального времени - передаются Linux-ядру. Фактически Linux-ядро является простаивающей (idle) задачей операционной системы реального времени, запускаемой только в том случае, если никакая задача реального времени не исполняется. При этом на Linux-задачу накладываются определенные ограничения, которые, впрочем, для программиста прозрачны.
Нельзя выполнять следующие операции: блокировать аппаратные прерывания и предохранять себя от вытеснения другой задачей. Ключ к реализации данной системы - драйвер, эмулирующий систему управления прерываниями, к которому обращается Linux при попытке блокировать прерывания. В этом случае драйвер перехватывает запрос, сохраняет его и возвращает управление Linux-ядру.
Все аппаратные прерывания перехватываются ядром операционной системы реального времени. Когда происходит прерывание, ядро RTLinux решает, что делать. Если это прерывание имеет отношение к задаче реального времени, ядро вызывает соответствующий обработчик. В противном случае, либо если обработчик реального времени говорит, что хочет разделять это прерывание с Linux, обработчику присваивается состояние ожидания (pending). Если Linux потребовала разрешить прерывания, то прерывания, которые находятся в состоянии "pending", эмулируются. Ядро RTLinux спроектировано таким образом, что ядру реального времени никогда не приходится ожидать освобождения ресурса, занятого Linux-процессом (рис. 1).
Рис. 1. Механизм работы RTLinux - Linux-расширения жесткого реального времени
Для обмена данными между операционными системами реального времени и Linux могут использоваться следующие механизмы:
- разделяемые области памяти;
- псевдоустройства, предоставляющие возможность обмена данными с приложениями реального времени.
Ключевой принцип построения RTLinux - как можно больше использовать Linux и как можно меньше собственно RTLinux. Действительно, именно Linux заботится об инициализации системы и устройств, а также о динамическом выделении ресурсов. "На плечи" RTLinux ложится только планирование задач реального времени и обработка прерываний. Для простоты запуска в контексте ядра, сохранения модульности и расширяемости системы процессы реального времени реализованы в виде загружаемых модулей Linux. Как правило, приложение реального времени с RTLinux состоит из двух независимых частей: процесса, исполняемого ядром RTLinux, и обыкновенного Linux-приложения.
Для иллюстрации работы приложения реального времени рассмотрим прикладной модуль, который использует ядро реального времени RTLinux в виде загружаемого модуля Linux: #define MODULE #include <linux/module.h> /* необходимо для задач реального времени */ #include <linux/rt_sched.h> #inlcude <linux/rt_fifo.h> RT_TASK mytask;
В заголовке модуля определяется структура RT_TASK, которая содержит указатели на структуры данных модуля, а также управляющую информацию. В нашем случае, для связи между процессами, используются очереди сообщений FIFO (рис. 2).
Рис. 2. Механизм межпроцессной связи через очереди сообщений FIFO
Модуль реального времени читает данные из устройства и кладет их в очередь сообщений, откуда их потом забирает обыкновенное приложение Linux.
Как и каждый модуль Linux-ядра, процесс реального времени должен выполнить процедуры инициализации и завершения аналогичные модулям Linux: int init_module(void) { /* определить номер очереди сообщений */ #define RTFIFODESC 1 /* взять локальное время */ RTIME now = rt_get_time() rt_task_init(&mytask, mainloop, RTFIFODESC,3000, 4); rt_task_make_periodic(&mytask, now+1000, 25000); return 0; }
Подобный модульный подход к написанию приложений присущ многим расширениям реального времени для универсальных систем, когда задача реального времени работает независимо от ОС. Разработчики уже приняли схему, по которой задачи, критичные к времени реакции, программируются с помощью API-интерфейсов, предусмотренных расширением реального времени, а все служебные и интерфейсные функции возлагаются на традиционную операционную систему. Логично предположить, что при использовании данного подхода разработчику потребуется изучить только API-интерфейс реального времени.
На наш взгляд, оба подхода в реализации механизмов реального времени, заложенные в KURT и RTLinux, применимы для большинства задач реального времени. Правда, до определенного времени проект KURT находился в "подвешенном" состоянии и почти год не развивался, что вывело команду RTLinux в лидеры этого технологического направления. Однако совсем недавно вышла новая версия KURT 2.0 для Linux-ядер версий 2.2.5, 2.2.9 и 2.2.13.
Многие разработчики уже приняли Linux и внедряют ее в своих коммерческих проектах как основную операционную систему для серверов приложений. Однако до сих пор при реализации вертикальных проектов на нижнем уровне применялись специализированные ОС реального времени. Ситуация может существенно измениться благодаря использованию расширений реального времени для Linux. Теперь не надо тратить средства на изучение и покупку специализированной ОС, а весь проект можно реализовать в рамках одной системы и без чрезмерных затрат.
