基于Xenomai的Linux數(shù)控系統(tǒng)實時性改造研究

謝文彬，殷紅梅，張 欽

(1.淮安生物工程高等職業(yè)學校，江蘇 淮安 223200;2.淮安信息職業(yè)技術學院 機械工程學院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

數(shù)控系統(tǒng)是一種多任務操作系統(tǒng)，實時性要求較高，標準的Linux系統(tǒng)實時性較弱，無法滿足要求。根據(jù)實時性要求的不同，實時性可分為硬實時和軟實時兩種，無論是哪種存在問題都會給系統(tǒng)和機床帶來嚴重破壞。Linux內(nèi)核2.6版本在支持實時性任務方面做出了大量的改進，但仍然無法達到實時嵌入式系統(tǒng)的要求[1-2]，如內(nèi)核不具備完全可搶占性、時鐘粒度粗糙不能滿足要求等。Linux的實時性能改造主要通過內(nèi)核內(nèi)部改造與雙內(nèi)核實時化改造。其中，較為常用的雙內(nèi)核改造方案使用一定方法能夠使Linux系統(tǒng)對硬實時性進行支持，降低了任務切換延遲和中斷延遲，使應用程序的運行有了充分的時間保證。但依然存在以下缺點：①使用非實時性標準Linux內(nèi)核的驅(qū)動程序來調(diào)用處理器資源，雙內(nèi)核改造方案過多，系統(tǒng)的實時可靠性受到影響；②實時和非實時任務在調(diào)用時需要分開考慮，增加了系統(tǒng)設計的復雜性[3-4]。當前，雙內(nèi)核實時性改造項目中比較具有代表性的有Xenomai、RT-Linux和RTAI等。本文針對基于FPGA數(shù)控系統(tǒng)的實時要求，完成基于Xenomai的Linux實時化內(nèi)核的移植，為基于Linux+Xenomai的實時多任務操作系統(tǒng)的構建乃至數(shù)控系統(tǒng)整個軟件平臺的開發(fā)奠定基礎。

1 Xenomai基本概述及工作原理

Xenomai以Adeos(Adaptive Domain Environment for Operating System)為基礎，采用雙內(nèi)核機制——Linux內(nèi)核的強實時擴展。其優(yōu)先級高于Linux內(nèi)核，它負責處理系統(tǒng)的實時任務，使開發(fā)者可以將依賴于傳統(tǒng)RTOS的應用程序性能穩(wěn)定，并快速地移植到GNU/Linux體系下，這樣可以盡可能地減少應用程序的重新編寫。為了實現(xiàn)以上功能，同時系統(tǒng)仍具有較高的實時性，Xenomai在系統(tǒng)中構建了一個可以用來模擬傳統(tǒng)實時操作系統(tǒng)API的模擬器。該模擬器也被稱作實時微內(nèi)核，而使用此內(nèi)核模擬傳統(tǒng)實時API的技術被稱作“Skin”(皮膚)，此技術是Xenomai的核心技術之一。通過“Skin”技術，Xenomai實現(xiàn)了多種傳統(tǒng)RTOS的應用編程接口，為在GNU/Linux環(huán)境中傳統(tǒng)RTOS的移植提供了極大的方便[5]。

圖1為Xenomai的組成結構，可以看出Xenomai實時內(nèi)核由多個抽象層組成：工作在系統(tǒng)硬件之上的是Adeos，在Adeos上面的是硬件抽象層HAL，該層和系統(tǒng)所用處理器的體系架構關系最為密切，實時內(nèi)核層在硬件抽象層HAL之上，它是系統(tǒng)的中間部分，它可以實現(xiàn)通用RTOS基本服務。這些服務可以通過本地和客戶API實現(xiàn)，本地API也被稱作Native。客戶API是建立在實時內(nèi)核上的，并為傳統(tǒng)RTOS用戶專門設計，比較常用的有RTAI、POSIX、VxWorks、uITRON和pSOS+等。客戶API設計的目的是在Xenomai/Linux體系下做應用程序移植時，傳統(tǒng)RTOS應用程序可以被兼容，同時減少代碼重寫，此種特性盡可能地使Xenomai的穩(wěn)健性得到保證。Xenomai/Linux架構為系統(tǒng)提供了通過系統(tǒng)接口實現(xiàn)的用戶空間模式和由實時內(nèi)核實現(xiàn)的內(nèi)核空間模式。系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的軟實時性由用戶空間執(zhí)行模式保證，同時優(yōu)秀的硬實時性能則通過內(nèi)核空間模式實現(xiàn)。時鐘模塊管理、定時器處理、同步支持和實時線程調(diào)度等實時API所要用到的操作系統(tǒng)服務和資源都是由Xenomai構造的通用模塊提供[6]。

2 基于Xenomai的Linux域設計

在Adeos模式下，標準Linux和Xenomai被設計為兩個不同的域，Linux域(根域)為Xenomai域提供動態(tài)注冊、堆棧分配等必要的基本功能。Adeos系統(tǒng)以Linux為基礎的實現(xiàn)方式?jīng)Q定了Adeos在Linux運行之后啟動，但是為了保證系統(tǒng)啟動階段的實時性，Adeos在啟動階段就要獲得系統(tǒng)中斷管理的控制權。在初始化完成之后，Xenomai和Linux的協(xié)調(diào)運行方式可以分為兩種：主動運行方式與被動運行方式。主動運行方式的特征是：當前域在處理任務和中斷請求的過程中不會被高優(yōu)先級的域打擾，此域在任務完成之后被主動掛起。與之相反的是被動運行方式，指當前域被系統(tǒng)出現(xiàn)的優(yōu)先級別更高的域中斷運行，從而該域被動掛起。

圖1 Xenomai的組成結構

域的切換工作在ipipe_suspend_domain()函數(shù)中實現(xiàn)，在Linux系統(tǒng)中cpu_idle()會調(diào)用此函數(shù)，同時在Xenomai域中即使系統(tǒng)處在空閑階段時也會一直運行此函數(shù)[7]。域切換函數(shù)ipipe_suspend_domain()的執(zhí)行模式是在當前域下首先檢測下一個域中是否存在需要處理的任務，如果存在則將程序執(zhí)行權交給該域?qū)θ蝿者M行處理，如果沒有則跳過該域繼續(xù)沿著中斷管道向下查找有任務需要處理的域。域中有需要處理的中斷任務和該域擁有比當前域更高的優(yōu)先級是域能夠被切換進入的兩個必備條件。在Adeos系統(tǒng)中，Xenomai負責管理實時任務，為了使實時任務運行時不會受到Linux內(nèi)核任務的影響，確保實時任務能夠在指定的時間內(nèi)完成，Xenomai域優(yōu)先級的設置要比Linux域的高。

3 基于Xenomai的Linux系統(tǒng)移植

根據(jù)上文敘述及Xenomai的工作原理，基于Xenomai的Linux實時系統(tǒng)改造方案框架如圖2所示。將Xenomai移植到標準的Linux系統(tǒng)內(nèi)核中主要有以下兩個步驟：構建Linux實時內(nèi)核系統(tǒng)和交叉編譯Xenomai的庫文件。

圖2 基于Xenomai的Linux實時系統(tǒng)改造方案框架

3.1 Linux實時內(nèi)核系統(tǒng)構建

在官方網(wǎng)站上下載“潔凈”的內(nèi)核文件Linux2.6.4，同時下載Xenomai-2.4.3源碼包，Xenomai源碼提供了修改Linux內(nèi)核時需要的Adeos的內(nèi)核補丁。在虛擬機中端執(zhí)行以下命令：

#$Xenomai_root/scripts/prepare-kernelsh-arch=arm

-adeos=Sxenomai_root/ksrc/arch/arm/patches/adeos-ipie-2.6.20-arm-1.8-03.patch-linux=$linux_tree

其中：$Linux_tree代表Linux源碼包的位置；$Xenomai_root代表Xenomai源碼包的位置；-arch=arm用來指定目標平臺是基于ARM架構的；-adeos指定選擇使用的補丁文件和文件的位置。

成功打好補丁之后，可以看到內(nèi)核中新增加了Real-time選項，如圖3所示。

圖3 Xenomai配置信息

內(nèi)核配置過程中，為防止標準內(nèi)核與實時內(nèi)核的配置中發(fā)生沖突，一些配置選項需要重新設置：

將內(nèi)核“可搶占式”模式開啟，關閉Power Management support(Power management option(ACPI,APM)；關閉Module versioning support；關閉CPU Frequency scalling。因為ARM處理器不具備浮點數(shù)處理單元(FPU)，所以CONFIG_XENO_HW_FPU也要選擇關閉。根據(jù)實際需求在Xenomai的Interface子系統(tǒng)中選擇合適的接口，并將其編譯到內(nèi)核模塊之中。完成配置后，在終端中執(zhí)行“make zImage”命令就可以得到基于Xenomai的實時Linux系統(tǒng)內(nèi)核。

3.2 Xenomai庫的交叉編譯

為了得到Xenomai提供的API的運行，需要將Xenomai源碼編譯以得到需要的庫文件。在中斷中執(zhí)行以下命令：

#$Xenomai_tree/configure--build=i686-pc-linux-gnu--host=arm-linux

--able-arm-mach=s3c2440--enable-arm-tsc

#make

其中:--build指定宿主機的開發(fā)環(huán)境;--host用來指定交叉編譯環(huán)境；--enable-arm-mach用來指定目標平臺(s3c2440處理器)；--enable-arm-tsc用來開啟tsc。將編譯得到的Xenomai動態(tài)鏈接庫文件拷貝到根系統(tǒng)的lib文件夾下，以備Xenomai程序運行時調(diào)用。

4 Linux和Xenomai實時性能測試

以上對Linux+Xenomai的系統(tǒng)做了詳細的分析，并且在s3c2440處理器上完成了基于Xenomai的Linux系統(tǒng)的移植，為具有強實時性的數(shù)控系統(tǒng)提供了軟件平臺。接下來對此軟硬件系統(tǒng)進行整體測試，用來驗證此系統(tǒng)能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)的要求。

4.1 實時任務調(diào)度延遲測試

一個隨機的控制任務發(fā)出請求到該任務被實際執(zhí)行之間的時間間隔被稱作任務調(diào)度延遲，任務調(diào)度延遲的長短是影響系統(tǒng)實時性的一個重要指標[8-9]。系統(tǒng)處理任務的時間和任務調(diào)度延遲的時間合在一起組成固定的時鐘粒度，由此可以看出，任務調(diào)度延遲所用的時間越長留給系統(tǒng)處理任務的時間越短。Xenomai對于任務調(diào)度延遲提供了可以直接使用的代碼。Xenomai中的可執(zhí)行文件latency可以被用來測試用戶模式下任務調(diào)度延遲、內(nèi)核模式下任務調(diào)度延遲和定時器中斷延遲。為體現(xiàn)模擬的真實性，首先執(zhí)行“dd if=/dev/zero of=/dev/null&”語句模擬CPU的重載情況，然后再進行相關測試。

執(zhí)行“./latency-t0-T20-p500-h-s”，對用戶模式下的任務的調(diào)度延遲進行測試；執(zhí)行“./latency-t1-T20-p500-h-s”，對內(nèi)核模式下的調(diào)度延遲進行測試。-t為設定測試的類型：0表示對用戶模式下的任務的調(diào)度延遲進行測試，1表示對內(nèi)核模式下的調(diào)度延遲進行測試，2表示定時器的中斷延遲測試；-p用來表示設定任務周期，單位為微秒，此處設計為500 μs；-T表示設定持續(xù)時間，單位為秒，此處設置為20 s；-h表示打印測試記錄中的最小、平均、最大延遲時間；-s表示打印統(tǒng)計測試過程中的最小、平均、最大延遲時間。用戶態(tài)下測試結果和內(nèi)核態(tài)下測試結果如圖4和圖5所示。從測試結果可以看出：在系統(tǒng)負載比較高的情況下，任務調(diào)度延遲在用戶空間和內(nèi)核空間內(nèi)分別為5 μs～6 μs和1 μs～2 μs，由此可以看出此系統(tǒng)在實時性方面有很高的優(yōu)勢。

圖4 用戶態(tài)下測試結果

4.2 內(nèi)核定時器中斷延遲測試

在數(shù)控系統(tǒng)中存在許多隨機事件，這些事件都會轉(zhuǎn)換成任務驅(qū)動中斷，如果系統(tǒng)無法對這些中斷進行快速的響應，將會給系統(tǒng)帶來無法預測的后果，因此對于定時器中斷的測試是十分必要的。同樣執(zhí)行語句“./latency-t2-T30-p500”對系統(tǒng)進行測試，定時器中斷測試結果如圖6所示。從圖6的測試結果可以看出:在系統(tǒng)負載比較高的情況下，定時器中斷延遲測試的結果為5 μs～6 μs，由此可以看出此實時系統(tǒng)在定時器中斷響應方面具有很大的優(yōu)勢。

圖5 內(nèi)核態(tài)下測試結果

圖6 定時器中斷測試結果

5 結語

本文結合數(shù)控系統(tǒng)的實時性要求和對于標準Linux實時性不足的分析，提出了基于Xenomai的Linux系統(tǒng)實時性改造方案，完成基于Xenomai的Linux實時化內(nèi)核的移植，并在s3c2440芯片上實現(xiàn)此實時系統(tǒng)，最后通過3個實時性能指標的測試，驗證了基于Xenomai的Linux實時性改造方案在數(shù)控系統(tǒng)中的可行性。