图1双内核实时µClinux架构

      当RTAI装载时，只需要重新设置RTHAL中的各项内容。内核需要修改执行RTHAL以代替原来的内容，如

do_IRQ(irq,&dummy)；

      被修改为：

      rthal.c_do_IRQ(irq,&dummy)；

      Linux初始化RTHAL为指向原始的函数和数据结构，RTHAL仅仅进行重定向。当RTAI被激活，RTHAL保存并且改变这些函数的值为RTAI自己的内容。以上段代码为例，当RTAI还没有加载时，rthal.c_do_IRQ的值就是Linux的do_IRQ，当RTAI被加载时，RTAI执行以下代码，将rthal.c_do_IRQ替换成RTAI自己的分发器：

      rthal.c_do_IRQ=dispatch_irq；

      3.3 RTAI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,sti&flags);

      控制中断mask/unmask函数;

      中断状态的数据描述符(status,hander,nestedlevel,…);}

      4.2定时器的移植

      如前面分析，对于一个实时操作系统，必须有精确的计时。在i386体系结构中，有时间标签计数器TSC（Time Stamp Count），在S3C4510B处理器上没有这个寄存器，可以采用计时器2（Timer1）来模拟TSC的功能。每来一个时钟脉冲，Timer1的TCNT1寄存器减1，减到零后产生时钟中断，再从TDATA1中读TCNT1的值，往复运行。具体的做法是使用一个内核的全局变量，每次时钟中断来以后，在Timer1的寄存器中读出值，计算其增量，为了使系统更精确，必须将Timer1中断设置为最高优先级，这样就可以模拟64位的TSC寄存器，从而得到当前的准确计时。

      5.基于RTAI与µClinux的应用程序的开发

      编写应用程序时，将实时系统的应用程序分为实时任务和非实时任务。实时任务是实时模块，作为µClinux核心可加载模块运行在核心态。它的设计应尽可能简单，仅包含那些有强实时要求的处理模块，如实时数据采集、外部设备控制等。非实时任务是普通的µClinux进程，在用户态执行，完成大部分的数据处理、图形显示和通讯等任务。所有的实时任务均按照对实时性要求的高低来进行优先级排队，系统根据优先级的高低来顺序启动各个实时任务。而位于用户态的界面，当作一个背景程序来执行。核心态的任务优先级总是高于用户态的界面任务，且不能被其抢占。实时任务和非实时任务之间可通过FIFO队列和共享内存等方法通信。基于RTAI的µClinux应用程序结构图如图2所示。

      实时系统的启动和结束可以用一个Shell程序来执行，它的功能是实现各任务模块的加载和卸载，以及用户界面的运行。Shell程序是介于使用者和操作系统的内核程序间的一个界面，使用户更为方便的使用操作系统。由于各个模块之间具有相互依赖性，所以在加载和卸载各个模块时按照一定的顺序。首先要将RTAI提供的实时模块加载，包括rtai、rtai_sched、rtai_fifos和rtai_shm等模块；然后装入系统的各个实时模块。卸载模块的时候按照相反的顺序依次卸载。实时系统的程序流程图如图3所示。

      6.结束语

      作者已将改造后的µClinux系统应用在了江苏省普通高校自然科学研究计划资助项目“机房环境设备安全监控软件平台的研制”等项目中，均取得了良好的效果，解决了µClinux在实时性方面的缺陷，满足了设计要求。