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摘 要：LINUX作为一种开放的操作系统已经得到广泛的应用，但是LINUX是面向桌面的操作系统，本身實时性并不是很出色，在很多应用场合需要对它的实时性能进行改进。本文详细分析了一种基于实时应用接口的LINUX扩展方案，通过RTAI动态加载实时内核，改善了LINUX系统的实时性。
关键词：操作系统；应用接口；内核；实时
中图分类号：TP316.81
1 引言
实时系统是一种特殊的系统，它主要特点是在规定时间内一定能够响应任务的需求。这种特性就特别适合一些对时间要求严格的场合，比如控制列车运行的操作系统。因此实时系统目前主要应用于过程控制自动化系统、办公自动化、航空航天系统、武器制导系统等领域，并且发挥着举足轻重的作用。
Linux的出现给我们带来了新的契机，由于Linux系统本身的开源性，用户可以根据自己的需求定制和修改以达到不同的效果。但是，大部分实时系统，需要很短的响应时间，需要操作系统的硬实时特性，而标准的Linux操作系统是达不到硬实时的要求。本论文分析了Linux 2.6内核实时性的不足以及RTAI底层实现机制，并构建一个基于Linux和RTAI的实时系统。
2 Linux内核实时性分析
对一个操作系统而言，调度程序的效率将直接影响到系统的整体性能。在Linux中，调度策略分为三种：
（1）SCHED_NORMAL：面向普通进程的时间片轮转策略。
（2）SCHED_FIFO：面向对实时性要求要求比较高，运行时间比较短的进程。用这种思想进行调度时，各进程按先入先出的顺序获得CPU。
（3）SCHED_RR：面向于实时性要求比较高，运行时间比较长的进程。用这种思想进行调度时，各进程按时间片的方法轮流使用CPU。
在2.6内核中，对Linux的调度策略进行了很大的改进，有关进程调度最重要的改进是采用O（1）算法和内核态的可抢占性。因此，我们利用Linux开源性的优势，对Linux内核进行扩展，采用RTAI对Linux进行实时性改进以满足实时任务的需求。
3 RTAI实时性分析
RTAI是一种对Linux系统的硬实时扩展，它可以提供工业级的实时操作系统功能，达到了硬实时性的要求，RTAI的功能都可以在Linux下访问。
RTAI采用了一种叫做ADEOS的思想进行实现。ADEOS在操作系统的底部插入一个微内核，各个操作系统运行在微内核之上，各个操作系统都可以操作控制硬件。Adeos把它管辖的各个操作系统称为域，RTAI系统本身作为Adeos中的一个域存在，在Adeos管理下实现RTAI系统的初始化、中断的申请、中断服务程序的注册等。在Adeos的调度策略里面，RTAI的优先级是最高的，一旦RTAI有任务需要处理，Adeos立即进行调度，使RTAI能够响应相应的实时任务，只有当RTAI处于空闲状态时，Adeos才会调度Linux运行，这样的调度思想就保证了RTAI的实时任务响应时间，从而提供了实时系统的可确定性，使系统达到硬实时的要求。RTAI的原理图如图1：
从图中我们可以看到，RTAI响应的都是实时任务，因此我们设置RTAI域的优先级高于Linux域，这样的策略保证所有的实时任务都优先于Linux域的普通任务，从而不会被linux影响。
这样，Adeos系统上的两个操作系统在这种调度策略下就共同运行，它们可以共享两个操作系统所有的公共资源，RTAI和Linux通过管道、共享内存等模块交换信息，调用彼此的系统服务，也可以根据优先级共享同一个中断信号。
4 实时系统的实现
下面是我构建实时Linux系统的过程：
软件环境： ubuntu，gcc、g++、make等。
我们下载RTAI并解压：
# wget --no-check-certificate https：//www.rtai.org/RTAI/rtai-3.6.tar.bz2
# tar xvf rtai-3.6.tar.bz2
我们下载一个RTAI支持的内核并解压出来：
例如linux-2.6.20.tar.gz
# tar xvf linux-2.6.20.tar.gz
进入内核目录并应用补丁：
#cd ../linux-2.6.20
# patch -p1 -b < ../rtai-3.6/base/arch/i386/patches/hal-linux-2.6.20-i386-1.10-12.patch
接着把配置文件拷贝到新内核的目录中并配置新内核：
# cd ../linux-2.6.20
#cp /boot/config-2.6.20-generic .config
# make menuconfig
配置完成之后我们需要对内核进行编译并安装，在ubuntu环境下最简单的安装内核方式是采用deb方式，因此我们还需要下载一些软件工具包：
# apt-get install kernel-package fakeroot
我们开始编译过程并把内核打包：
# make-kpkg clean
# fakeroot make-kpkg --initrd --app＼end-to-version=-rtai ＼kernel_image kernel＼_headers
# cd /usr/src
# dpkg -i *.deb
然后我们重启计算机并配置RTAI
$ sudo -s
# cd /usr/src/rtai-3.5
# mkdir build
# cd build
# make -f ../makefile CC=/usr/bin/gcc- CXX=/usr/bin/g++-
# make install
最后我们在启动grub的时候就可以选择安装了RTAI的ubuntu启动。
5 结束语
Linux作为一个开源性的操作系统已经应用到各个领域，针对不同的应用场合各行各业都会对linux进行改进。本文针对工业控制现场对操作系统的实时性需求，采用RTAI的方法对Linux进行实时性的改进，分析了RTAI实现机制并构建一个基于RTAI和Linux的系统。
参考文献：
[1]Joao Monteiro.RTAI Installation Complete Guide，www.rtai.org
[2]范海涛，王树民.基于RTAI的uClinux硬实时性能的实现[J].电力自动化设备，2006，3（3）：66-68.
[3]吴国伟，任广臣.Linux内核分析及高级编程[M].电子工业出版社.
[4]吴恒奎.Liunx指令速查手册[M].人民邮电出版社.
作者单位：西安铁路职业技术学院，西安 710014
关键词：操作系统；应用接口；内核；实时
中图分类号：TP316.81
1 引言
实时系统是一种特殊的系统，它主要特点是在规定时间内一定能够响应任务的需求。这种特性就特别适合一些对时间要求严格的场合，比如控制列车运行的操作系统。因此实时系统目前主要应用于过程控制自动化系统、办公自动化、航空航天系统、武器制导系统等领域，并且发挥着举足轻重的作用。
Linux的出现给我们带来了新的契机，由于Linux系统本身的开源性，用户可以根据自己的需求定制和修改以达到不同的效果。但是，大部分实时系统，需要很短的响应时间，需要操作系统的硬实时特性，而标准的Linux操作系统是达不到硬实时的要求。本论文分析了Linux 2.6内核实时性的不足以及RTAI底层实现机制，并构建一个基于Linux和RTAI的实时系统。
2 Linux内核实时性分析
对一个操作系统而言，调度程序的效率将直接影响到系统的整体性能。在Linux中，调度策略分为三种：
（1）SCHED_NORMAL：面向普通进程的时间片轮转策略。
（2）SCHED_FIFO：面向对实时性要求要求比较高，运行时间比较短的进程。用这种思想进行调度时，各进程按先入先出的顺序获得CPU。
（3）SCHED_RR：面向于实时性要求比较高，运行时间比较长的进程。用这种思想进行调度时，各进程按时间片的方法轮流使用CPU。
在2.6内核中，对Linux的调度策略进行了很大的改进，有关进程调度最重要的改进是采用O（1）算法和内核态的可抢占性。因此，我们利用Linux开源性的优势，对Linux内核进行扩展，采用RTAI对Linux进行实时性改进以满足实时任务的需求。
3 RTAI实时性分析
RTAI是一种对Linux系统的硬实时扩展，它可以提供工业级的实时操作系统功能，达到了硬实时性的要求，RTAI的功能都可以在Linux下访问。
RTAI采用了一种叫做ADEOS的思想进行实现。ADEOS在操作系统的底部插入一个微内核，各个操作系统运行在微内核之上，各个操作系统都可以操作控制硬件。Adeos把它管辖的各个操作系统称为域，RTAI系统本身作为Adeos中的一个域存在，在Adeos管理下实现RTAI系统的初始化、中断的申请、中断服务程序的注册等。在Adeos的调度策略里面，RTAI的优先级是最高的，一旦RTAI有任务需要处理，Adeos立即进行调度，使RTAI能够响应相应的实时任务，只有当RTAI处于空闲状态时，Adeos才会调度Linux运行，这样的调度思想就保证了RTAI的实时任务响应时间，从而提供了实时系统的可确定性，使系统达到硬实时的要求。RTAI的原理图如图1：
从图中我们可以看到，RTAI响应的都是实时任务，因此我们设置RTAI域的优先级高于Linux域，这样的策略保证所有的实时任务都优先于Linux域的普通任务，从而不会被linux影响。
这样，Adeos系统上的两个操作系统在这种调度策略下就共同运行，它们可以共享两个操作系统所有的公共资源，RTAI和Linux通过管道、共享内存等模块交换信息，调用彼此的系统服务，也可以根据优先级共享同一个中断信号。
4 实时系统的实现
下面是我构建实时Linux系统的过程：
软件环境： ubuntu，gcc、g++、make等。
我们下载RTAI并解压：
# wget --no-check-certificate https：//www.rtai.org/RTAI/rtai-3.6.tar.bz2
# tar xvf rtai-3.6.tar.bz2
我们下载一个RTAI支持的内核并解压出来：
例如linux-2.6.20.tar.gz
# tar xvf linux-2.6.20.tar.gz
进入内核目录并应用补丁：
#cd ../linux-2.6.20
# patch -p1 -b < ../rtai-3.6/base/arch/i386/patches/hal-linux-2.6.20-i386-1.10-12.patch
接着把配置文件拷贝到新内核的目录中并配置新内核：
# cd ../linux-2.6.20
#cp /boot/config-2.6.20-generic .config
# make menuconfig
配置完成之后我们需要对内核进行编译并安装，在ubuntu环境下最简单的安装内核方式是采用deb方式，因此我们还需要下载一些软件工具包：
# apt-get install kernel-package fakeroot
我们开始编译过程并把内核打包：
# make-kpkg clean
# fakeroot make-kpkg --initrd --app＼end-to-version=-rtai ＼kernel_image kernel＼_headers
# cd /usr/src
# dpkg -i *.deb
然后我们重启计算机并配置RTAI
$ sudo -s
# cd /usr/src/rtai-3.5
# mkdir build
# cd build
# make -f ../makefile CC=/usr/bin/gcc-
# make install
最后我们在启动grub的时候就可以选择安装了RTAI的ubuntu启动。
5 结束语
Linux作为一个开源性的操作系统已经应用到各个领域，针对不同的应用场合各行各业都会对linux进行改进。本文针对工业控制现场对操作系统的实时性需求，采用RTAI的方法对Linux进行实时性的改进，分析了RTAI实现机制并构建一个基于RTAI和Linux的系统。
参考文献：
[1]Joao Monteiro.RTAI Installation Complete Guide，www.rtai.org
[2]范海涛，王树民.基于RTAI的uClinux硬实时性能的实现[J].电力自动化设备，2006，3（3）：66-68.
[3]吴国伟，任广臣.Linux内核分析及高级编程[M].电子工业出版社.
[4]吴恒奎.Liunx指令速查手册[M].人民邮电出版社.
作者单位：西安铁路职业技术学院，西安 710014