嵌入式Linux实时化技术

　　● 双内核方式

　　Linux内核实时化双内核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等为典型代表。其中RTLinux实现了一个微内核实时操作系统支持底层任务管理、中断服务例程、底层任务通信队列等。普通Linux作为实时操作系统的最低优先级任务，Linux下的任务通过FIFO命名管道和实时任务进行通信，如图1所示。

　　当Linux要关闭中断时，实时微内核会截取并记录这个请求，通过软件来模拟中断控制器，而没有真正关闭硬件中断，避免了由于关中断所造成的响应延迟。RT-Linux将系统实时时钟设置为单次触发模式，提供微秒级的时钟精度。RTAI类似RTLinux的实现方式，不同之处在于它修改了体系结构相关代码，形成一个实时硬件抽象层(RTHAL)，使其实时任务能在任何时刻中断普通Linux任务，两者之间通过非阻塞队列进行通讯。RTAI将直接修改Linux内核的代码减至最少，具有更好的可移植性。Xenomai以RTAI为基础，也称RTAI /Fusion。采用了Adeos微内核替代RTAI的硬件抽象层。其特色还在于模仿了传统RTOS的API接口，推动传统RTOS应用在GNU/Linux下的移植。类似还有基于Fiasco微内核的L4Linux等开源项目。

　　● 内核补丁方式

　　双内核实时方案下，实时任务需要按照微内核实时操作系统提供的另外一套API进行设计。而内核补丁方式则不改变Linux的API，原有应用程序可在实时化后的操作系统上运行，典型的有早期研究性的Kurt-Linux和Red-Linux，商业版本的MontaVista、TimeSys 和Wind River Linux，以及现阶段Ingo Monlnar等人开发的实时抢占补丁内核等[3]。

　　Kurt-Linux是第一个基于普通Linux的实时操作系统。通过正常态、实时态和混合态进行实时和非实时任务的划分。RED-Linux通过任务多种属性和调度程序，可以实现多种调度算法。采用软件模拟中断管理，并在内核插入了许多抢占点，提高了系统调度精度。

　　MontaVista Linux在低延迟补丁以及可抢占内核补丁基础上[4]，通过开发内核O(1)实时调度程序并对可抢占内核进行了改进和测试，Linux 2.4内核时代，MontaVista Linux 作为商业成熟产品在实时性上有较强的优势。TimeSys Linux通过内核模块的方式也提供了高精度时钟、优先级继承mutex等支持。

　　2.6版本的主流内核吸收了以上技术，支持CONFIG_PREEMPT_NONE，CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY和CONFIG_PREEMPT等多种配置选项。分别适合于计算型任务系统，桌面用户系统和毫秒级延迟嵌入式系统。2005年，针对2.6内核MontaVista推出了实时Linux计划，推进了Linux内核实时化进程。随后Ingo Molnar发布了新的实时抢占补丁，并逐渐成为Linux内核实时主流技术，也为包括MontaVista Linux，Wind River Linux采用和补充，本文后续内容要涉及实时抢占补丁。