基于Linux 系統(tǒng)的內核編譯及實時RTAI 架構①

張 靜， 宋 珂， 章 桐

(同濟大學中德學院，上海201804)

0 引言

所謂實時系統(tǒng)(real－time system)是指其在計算和動作方面具有性能期限、對于外界的刺激都能由計算機給出及時響應的系統(tǒng)[1]．全球許多科技公司和研究機構都對Linux的實時性進行了研究和改進．在眾多改進方案中，實時應用接口(Real－TimeApplication Interface，RTAI)和實時 Linux(Real－time－Linux，RT－Linux)以其出色的性能，成為了目前主流Linux實時性改進方案．RTAI與RT－Linux相比，其結構更加靈活，代碼修改量更小，研發(fā)周期更短[2]．

RTAI項目是由意大利米蘭理工學院航天工程系發(fā)起開發(fā)的遵循GPL的開源項目，RTAI在ARM平臺上的移植，是從 3．2版本開始的，是基于Adeos實現(xiàn)的，它的硬件抽象層HAL使用Adeos提供的服務．也就是說，RTAI實現(xiàn)了Adeos中的一個域，通過Adeos實現(xiàn)RTAI域的初始化、中斷的申請、中斷服務程序的注冊等[3]．

RTAI在Adoes系統(tǒng)中的域優(yōu)先級高于Linux域(也就是根域)，每當中斷到來之后，Adeos先調度RTAI對該中斷進行處理、執(zhí)行中斷相關的實時任務，只有當RTAI沒有實時任務和中斷需要處理的時候，Adeos才會調度Linux運行，這就保證了RTAI的中斷響應速度和實時任務不受Linux的影響，從而提供了實時系統(tǒng)的可確定性[4]．

1 Linux操作系統(tǒng)的編譯與實現(xiàn)

1．1 Linux系統(tǒng)的安裝、內核及RTAI選型

我采用的是 Ubuntu 8．04．4 的 Wubi安裝，8．04．4是Ubuntu系統(tǒng)的穩(wěn)定版本，這樣成功性較高．首先查看一下默認的內核版本，在終端內輸入指令zj@zj－desktop:～$uname–r顯示默認的內核版本是 2．6．24．26 － generic．那么接下來就要選擇一款RTAI的版本，我選擇了RTAI－3．7，進入RTAI－3．7 的/rtai－3．7/base/arch/i386/patches，可以查看此版本RTAI支持的內核版本．如圖1所示．

圖1 支持的內核版本

由此我們選擇了 Linux －2．6．20．21．登錄已安裝完成的Ubuntu系統(tǒng)，在終端輸入

進入/usr/src目錄，解壓文件此時會在/usr/src目錄下出現(xiàn)兩個文件夾linux－2．6．20．21 和 rtai－3．7

1．2 內核配置

接下來給內核打上相應的RTAI補丁，首先確保安裝patch工具

配置Linux內核，內核兩種編譯模式:編譯成內核與編譯成模塊．可以把相應部分編譯到內核中，也可以把該部分編譯成模塊，動態(tài)調用．如果編譯到內核中，在內核啟動時就可以自動支持相應部分的功能，這樣的優(yōu)點是方便、速度快，機器一啟動，這部分功能同時啟動;缺點是會使內核變得龐大起來，不管你是否需要這部分功能，它都會存在(這是Windows的做法)．

如果編譯成模塊，就會生成對應的．o文件，在使用的時候可以動態(tài)加載，優(yōu)點是不會使內核過分龐大，缺點是你得自己來調用這些模塊．建議經常使用的部分直接編譯到內核中，比如輸入設備、網卡等．

在ubuntu下推薦使用圖形化的配置菜單，可以先執(zhí)行命令make mrproper，它將清除目錄下所有配置文件和先前生成核心時產生的中間文件[5]．

如圖2←no

(2)．Enable loadable module support→(允許可裝載的模塊支持)→ Module versioning support(模塊支持的版本)=no不同的內核在使用同一模塊時區(qū)別于塔原有的模塊，此處不選．

Enable loadable module support→Module unloading(模塊卸載)這個選項可以卸載不再使用的模塊，如果不選將不能卸載任何模塊．

(3)．Processor type and features→(處理器的類型和特性)→Symmetric multi－processing support(對稱多處理器支持)=no如果有多個CPU或者使用的是多核CPU就選上．此時"Enhanced Real Time Clock Support"選項必須開啟，"Advanced Power Management"選項必須關閉

圖2 內核配置界面

Processor type and features→Interrupt pipeline=yes

Processor type and features→Subarchitecture Type(子構架類型)=PC－compatible標準的PC或兼容機．

Processor type and features→Processor family(處理器系列)=core 2/newer xeon根據(jù)實際CPU選擇，我的電腦是酷睿雙核．

Processor type and features→Generic x86 support(通用x86支持)=no CPU能在上述”Processor family”中找到就可不選

Processor type and features→Multi－core scheduler support(針對多核CPU進行調度策略優(yōu)化)=yes

Processor type and features→Preemption Model(內核搶占模式)→Preemptible Kernel(Low－Latency Desktop)(適合運行實時程序的主動內核搶占)→yes

(4)．Power management options(ACPI，APM)→Power Management support(電源管理選項)=no電源管理有APM和ACPI兩種標準且不能同時使用，即使關閉該選項，X86上運行的Linux也會在空閑時發(fā)出HLT指令將CPU進入睡眠狀態(tài)．

Power management options(ACPI，APM)→CPU Frequency scaling(CPU變頻控制)→CPUF requency scaling Power management options=no CPU變頻控制允許在運行中改變CPU主頻，達到省電和降溫的目的，但是這個驅動不會自動改變CPU的時鐘速度，選擇no．

注意主菜單最后有兩項:

Load an Alternate Configuration File

Save an Alternate Configuration File

先選第一項的意思是，你也可以使用當前系統(tǒng)正在使用的配置文件來配置將要編譯的內核，然后選第二項保存，最后退出配置界面．操作方法如下:

假如當前系統(tǒng)正在使用的內核版本號為Linux－＜current version＞，其正在使用中的內核配置為/usr/src/linux－h(huán)eaders－＜current version＞－generic/．config將其拷到/usr/src/linux－ ＜new version＞目錄下．

然后選擇Load An Alternate Configuration File讀取配置文件，然后再此基礎上進行修改最后保存退出．

圖3 生成的鏡像文件和頭文件

1．3 編譯及安裝內核

當編譯結束后，會在/usr/src目錄下生成兩個文件，分別是鏡像文件和頭文件，如下圖－3所示，然后需要安裝這兩個文件．進入目錄，安裝鏡像文件和頭文件

安裝后將得到了三個非常重要的文件，分別是System．map，config 和 vmlinuz，這三個文件應該已經被拷貝到/boot/路徑下．重啟系統(tǒng)，進入新配置的內核環(huán)境

root@zj－desktop:/usr/src#reboot

2 編譯RTAI

如圖－4編譯RTAI

圖4 RTAI配置界面

圖5 RTAI運行結果

root@zj－ desktop:/usr/src/rtai－3．7#make

安裝RTAI

root@zj－ desktop:/usr/src/rtai－3．7#make install測試Linux－RTAI

運行結果如圖5所示

3 結論

(1)RTAI實現(xiàn)了Adeos內的一個域，這個域的優(yōu)先級高于Linux內核所在的根域，可以保證所有的RTAI中斷和實時任務都不會受Linux本身的影響，從而確?？焖俚闹袛囗憫蛯崟r任務的按時完成．

(2)一個基于Linux和RTAI的實時操作系統(tǒng)．經過理論分析和實驗結果證明:相關改進是正確、有效的，擴展后的RTAI能夠依照所設定的調度算法對實時任務進行正確調度，RTAI的實時性能也得到了提升．

(3)實踐證明 Ubuntu8．04．4 比較穩(wěn)定，而 9．10版本在reboot之后，會提示“you need load the kern first”，結果添加啟動項之后仍然不成功，這是因為本身9．10內核的Wubi安裝的一個Bug．

[1] 阮鴻芳，鐘家騏．Linux與硬實時擴展系統(tǒng)——RTAI的分析與研究[J]．嵌入式操作系統(tǒng)應用，2007，23．

[2] 劉鑫，陸文娟，范海濤．基于RTAI嵌入式Linux硬實時性能研究與實現(xiàn)[J]．嵌入式操作系統(tǒng)應用，2006．

[3] 范海濤，王樹民．基于RTAI的uClinux硬實時性能的實現(xiàn)[J]．電力自動化設備，2006，26(3)．

[4] 甘玲，劉柄宏．基于ADEOS的RTAI/Linux的研究及其實時性測試[J]．微計算機信息，2009，27(2)．

[5] 張巍，李俊，潘金貴．基于RTAI的實時Linux系統(tǒng)構筑及其嵌入式程序移植[J]．計算機科學，2007，34(11)．