如何選擇一個(gè)合適的嵌入式操作系統(tǒng)？Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

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選擇一個(gè)合適的嵌入式操作系統(tǒng)，可以考慮以下幾個(gè)因素：

第一是應(yīng)用。如果你想開(kāi)發(fā)的嵌入式設(shè)備是一個(gè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用密切相關(guān)或者就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，那么你應(yīng)該選擇用嵌入式Linux或者uCLinux，而不是uC/OS-II。

第二是實(shí)時(shí)性。沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)的數(shù)字可以告訴你什么是硬實(shí)時(shí)，什么是軟實(shí)時(shí)，他們之間的界限也是十分模糊的，這與你選擇什么樣的CPU，它的主頻、內(nèi)存等參數(shù)有一定關(guān)系。如果你使用加入實(shí)時(shí)補(bǔ)丁等技術(shù)的嵌入式Linux，如Monta Vista Linux(2.4.17版本)，最壞的情況只有436微秒，而99.9%的情況是195微秒以?xún)?nèi)�？紤]到最新的Linux在實(shí)時(shí)性方面的改進(jìn)，它可以適合于90~95%的各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)然，你如果希望更快的實(shí)時(shí)響應(yīng)，如高速A/D轉(zhuǎn)換需要幾個(gè)微秒以?xún)?nèi)的中斷延時(shí)，可能采用uC/OS-II是合適的。當(dāng)然，采用像Vxworks這樣傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)也可以滿(mǎn)足這樣的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求。


為什么選擇Linux操作系統(tǒng)

Linux系統(tǒng)作為一個(gè)GPOS(通用操作系統(tǒng))發(fā)展至今已經(jīng)非常成熟可靠了，并且由于遵循GPL協(xié)議，開(kāi)放所有系統(tǒng)源代碼，非常易于裁剪。更重要的是，與其他開(kāi)源的GPOS或RTOS相比，Linux系統(tǒng)支持多種處理器、開(kāi)發(fā)板，提供多種軟件開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)Linux系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)和圖形界面的支持非常出色。顯然，選擇Linux操作系統(tǒng)在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和成本控制方面都有巨大優(yōu)勢(shì)。

憑借經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面的諸多優(yōu)勢(shì)，Linux正被越來(lái)越多的嵌入式設(shè)備所使用。Linux在嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的占用率越來(lái)越高，以下是大部分產(chǎn)品選擇Linux系統(tǒng)的原因：

Linux支持的硬件設(shè)備種類(lèi)繁多。
Linux支持非常多的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
Linux的擴(kuò)展性很好，從小型的消費(fèi)電子產(chǎn)品到大型、笨重的電信級(jí)交換機(jī)和路由器都可以采用Linux。
和傳統(tǒng)的專(zhuān)有嵌入式操作系統(tǒng)不同，部署Linux不需要繳納專(zhuān)利費(fèi)。
Linux吸引了為數(shù)眾多的活躍的開(kāi)發(fā)者，能很快支持新的硬件架構(gòu)、平臺(tái)和設(shè)備。
越來(lái)越多的硬件和軟件廠(chǎng)商，包括幾乎所有的頂級(jí)芯片制造商和獨(dú)立軟件開(kāi)發(fā)商，現(xiàn)在都支持Linux。


什么是實(shí)時(shí)?

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的典型定義如下：“所謂實(shí)時(shí)系統(tǒng)，就是系統(tǒng)中計(jì)算結(jié)果的正確性不僅取決于計(jì)算邏輯的正確性，還取決于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間。如果完成時(shí)間不符合要求，則可以說(shuō)系統(tǒng)發(fā)生了問(wèn)題�！币簿褪钦f(shuō)，不管實(shí)時(shí)應(yīng)用程序進(jìn)行的是何種任務(wù)，它不僅需要正確進(jìn)行該任務(wù)而且還必須及時(shí)完成它。

人們很容易對(duì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生誤解，認(rèn)為實(shí)時(shí)即速度足夠快，實(shí)際上，實(shí)時(shí)并不意味著速度快。實(shí)時(shí)的關(guān)鍵在于保證完成時(shí)間，而不在于原始速度，因?yàn)樗俣刃阅芘c硬件相關(guān)，可以通過(guò)搭建快速硬件平臺(tái)(處理器、存儲(chǔ)器子系統(tǒng)等)來(lái)獲得所需的性能。而實(shí)時(shí)的行為是一個(gè)軟件問(wèn)題，其目標(biāo)是讓關(guān)鍵的操作能夠在所保證的時(shí)間之內(nèi)完成。

實(shí)時(shí)進(jìn)程不會(huì)影響自己在執(zhí)行環(huán)境中的調(diào)度，反而是環(huán)境影響實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的調(diào)度。也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)進(jìn)程通常和某個(gè)物理事件相關(guān)聯(lián)，比如外圍設(shè)備的中斷。那么顯然，影響實(shí)時(shí)的原因在于中斷響應(yīng)延時(shí)，在Linux系統(tǒng)中可細(xì)分為中斷延時(shí)、中斷處理、調(diào)度延時(shí)。一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)用戶(hù)對(duì)超出時(shí)間限制所造成的影響的可接受程度，實(shí)時(shí)又可分為軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)。

軟實(shí)時(shí)
大多數(shù)人都同意軟實(shí)時(shí)意味著操作有時(shí)間限制。如果超過(guò)了時(shí)間限制后操作還沒(méi)有完成的話(huà)，體驗(yàn)的質(zhì)量就會(huì)下降，但不會(huì)帶來(lái)致命后果。桌面工作站就是一個(gè)需要軟實(shí)時(shí)功能的絕好例子。編輯文檔時(shí)，你期望在按鍵之后立刻在屏幕上看到結(jié)果。在播放MP3文件時(shí)，你期望聽(tīng)到?jīng)]有任何雜音、爆音或中斷的高品質(zhì)音樂(lè)。如果這些所謂的軟實(shí)時(shí)事件錯(cuò)過(guò)了時(shí)限，結(jié)果可能不盡如人意，并導(dǎo)致體驗(yàn)的質(zhì)量有所下降，但這并不是災(zāi)難性的。

硬實(shí)時(shí)
硬實(shí)時(shí)的特點(diǎn)是錯(cuò)過(guò)時(shí)限會(huì)造成嚴(yán)重結(jié)果。在一個(gè)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，如果錯(cuò)過(guò)了時(shí)限，后果往往是災(zāi)難性的。當(dāng)然，“災(zāi)難”是相對(duì)而言的。但如果你的嵌入式設(shè)備正在控制噴氣式飛機(jī)引擎的燃料流，而它沒(méi)有能夠及時(shí)響應(yīng)飛行員輸入的命令或操作特性的變化，致命后果就不可避免了。

這里，我們總結(jié)一下軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)的定義。對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)，如果錯(cuò)過(guò)了時(shí)限，系統(tǒng)的計(jì)算值或結(jié)果會(huì)不太理想。然而，對(duì)于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，如果錯(cuò)過(guò)了某個(gè)時(shí)限，系統(tǒng)就是失敗的，而且可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。


制約標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的因素

雖然Linux系統(tǒng)功能強(qiáng)大、實(shí)用性強(qiáng)、易于軟件的二次開(kāi)發(fā)，并且提供編程人員熟悉的標(biāo)準(zhǔn)API。但是由于Linux系統(tǒng)一開(kāi)始就被設(shè)計(jì)成GPOS(通用操作系統(tǒng))，它的目的是構(gòu)建一個(gè)完整、穩(wěn)定的開(kāi)源操作系統(tǒng)，盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間，提高吞吐量，注重操作系統(tǒng)的整體功能需求，達(dá)到更好地平均性能。(在操作系統(tǒng)中，我們可以把吞吐量簡(jiǎn)單的理解為在單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的事件總數(shù)。)

因此在設(shè)計(jì)Linux的進(jìn)程調(diào)度算法時(shí)主要考慮的是公平性，也就是說(shuō)，調(diào)度器盡可能將可用的資源平均分配給所有需要處理器的進(jìn)程，并保證每個(gè)進(jìn)程都得以運(yùn)行。但這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是和實(shí)時(shí)進(jìn)程的需求背道而馳的，所以標(biāo)準(zhǔn)Linux并不提供強(qiáng)實(shí)時(shí)性。

Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)使其在嵌入式應(yīng)用中有一定的局限性，主要是受內(nèi)核可搶占性、進(jìn)程調(diào)度方式、中斷處理機(jī)制、時(shí)鐘粒度等幾個(gè)方面的制約，具體如下：

(1) 進(jìn)程調(diào)度
Linux系統(tǒng)提供符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度策略，包括FIFO調(diào)度策略(SCHED_FIFO)、帶時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)調(diào)度策略(SCHED_RR)和靜態(tài)優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度策略(SCHED_OTHER)。Linux進(jìn)程默認(rèn)的調(diào)度策略為SCHED_OTHER，這種調(diào)度方式雖然可以讓進(jìn)程公平地使用CPU和其它資源，但是并不能保證對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格或者高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程將先于低優(yōu)先級(jí)的執(zhí)行，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。那么，將實(shí)時(shí)進(jìn)程的調(diào)度策略設(shè)置為SCHED_FIFO 或SCHED_RR ，似乎使得Linux系統(tǒng)具備根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度的能力，但問(wèn)題在于，Linux系統(tǒng)在用戶(hù)態(tài)支持可搶占調(diào)度策略，而在內(nèi)核態(tài)卻不完全支持搶占式調(diào)度策略。這樣運(yùn)行在Linux內(nèi)核態(tài)的任務(wù)(包括系統(tǒng)調(diào)用和中斷處理)是不能被其它優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)所搶占的，由此引起優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)問(wèn)題。

(2) 內(nèi)核搶占機(jī)制
Linux的系統(tǒng)進(jìn)程運(yùn)行分為用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)兩種模式。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)時(shí)，具有高的優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程可以搶占進(jìn)程，可以較好地完成任務(wù);但是當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)時(shí)，即使其他高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程也不能搶占該進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)任務(wù)必須等待系統(tǒng)調(diào)用返回后才能獲得系統(tǒng)資源。這和實(shí)時(shí)系統(tǒng)所要求的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行是相互矛盾的。

當(dāng)然，這種情況在Linux2.6版本的內(nèi)核發(fā)布以來(lái)有了顯著改進(jìn)，Linux2.6版本后的內(nèi)核是搶占式的，這意味著進(jìn)程無(wú)論在處于內(nèi)核態(tài)還是用戶(hù)態(tài)，都可能被搶占。Linux2.6以后的內(nèi)核提供以下3種搶占模式供用戶(hù)選擇。

PREEMPT_NONE——沒(méi)有強(qiáng)制性的搶占。整體的平均延時(shí)較低，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)一些較長(zhǎng)的延時(shí)。它最適合那些以整體吞吐率為首要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用。

PREEMPT_VOLUNTARY——降低延時(shí)的第一階段。它會(huì)在內(nèi)核代碼的一些關(guān)鍵位置上放置額外的顯示搶占點(diǎn)，以降低延時(shí)。但這是以犧牲整體吞吐率為代價(jià)的。

PREEMPT/PREEMPT_DESKTOP——這種模式使內(nèi)核在任何地方都是可搶占的，臨界區(qū)除外。這種模式適用于那些需要軟實(shí)時(shí)性能的應(yīng)用程序，比如音頻和多媒體。這也是以犧牲整體吞吐率為代價(jià)的。

(3) 中斷屏蔽
Linux在進(jìn)行中斷處理時(shí)都會(huì)關(guān)閉中斷，這樣可以更快、更安全地完成自己的任務(wù)，但是在此期間，即使有更高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)進(jìn)程發(fā)生中斷，系統(tǒng)也無(wú)法響應(yīng)，必須等到當(dāng)前中斷任務(wù)處理完畢。這種狀況下會(huì)導(dǎo)致中斷延時(shí)和調(diào)度延時(shí)增大，降低Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

(4) 時(shí)鐘粒度粗糙
時(shí)鐘系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的重要組成部分，相當(dāng)于整個(gè)操作系統(tǒng)的脈搏。系統(tǒng)所能提供的最小時(shí)間間隔稱(chēng)為時(shí)鐘粒度，時(shí)鐘粒度與進(jìn)程響應(yīng)的延遲性是正比關(guān)系，即粒度越粗糙，延遲性越長(zhǎng)。但時(shí)鐘粒度并不是越小越好，就同等硬件環(huán)境而言，較小的時(shí)間粒度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)增大，降低整體吞吐率。在Linux2.6內(nèi)核中，時(shí)鐘中斷發(fā)生頻率范圍是50~1200Hz，周期不小于0.8ms，對(duì)于需要幾十微秒的響應(yīng)精度的應(yīng)用來(lái)說(shuō)顯然不滿(mǎn)足要求。而在嵌入式Linux系統(tǒng)中，為了提高整體吞吐率，時(shí)鐘頻率一般設(shè)置為100HZ或250HZ。

另外，系統(tǒng)時(shí)鐘負(fù)責(zé)軟定時(shí)，當(dāng)軟定時(shí)器逐漸增多時(shí)會(huì)引起定時(shí)器沖突，增加系統(tǒng)負(fù)荷。

(5) 虛擬內(nèi)存管理
Linux采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，進(jìn)程可以運(yùn)行在比實(shí)際空間大得多的虛擬空間中。在分時(shí)系統(tǒng)中，虛擬內(nèi)存機(jī)制非常適用，然而對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)這是難以忍受的，頻繁的頁(yè)面換進(jìn)換出會(huì)使得系統(tǒng)進(jìn)程運(yùn)行無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。

對(duì)于此問(wèn)題，Linux系統(tǒng)提供內(nèi)存鎖定功能，以避免在實(shí)時(shí)處理中存儲(chǔ)頁(yè)被換出。

(6) 共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)差異
多個(gè)任務(wù)互斥地訪(fǎng)問(wèn)同一共享資源時(shí)，需要防止數(shù)據(jù)遭到破壞，系統(tǒng)通常采用信號(hào)量機(jī)制解決互斥問(wèn)題。然而，在采取基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，信號(hào)量機(jī)制容易造成優(yōu)先級(jí)倒置，即低優(yōu)先級(jí)任務(wù)占用高優(yōu)先級(jí)任務(wù)資源，導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)任務(wù)無(wú)法運(yùn)行。

雖然從2.6.12版本之后，Linux內(nèi)核已經(jīng)可以在較快的x86處理器上實(shí)現(xiàn)10毫秒以?xún)?nèi)的軟實(shí)時(shí)性能。但如果想實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)、可重復(fù)的微秒級(jí)的延時(shí)，使Linux系統(tǒng)更好地應(yīng)用于嵌入式實(shí)時(shí)環(huán)境，則需要在保證Linux系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改造。下一節(jié)將介紹通過(guò)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁來(lái)提高Linux實(shí)時(shí)性的方法。


常用的實(shí)時(shí)Linux改造方案

根據(jù)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)要求以及Linux的特點(diǎn)和性能分析，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux實(shí)時(shí)性的改造存在多種方法，較為合理的兩大類(lèi)方法為：
直接修改Linux內(nèi)核源代碼。
雙內(nèi)核法。

1 直接修改Linux內(nèi)核源代碼
對(duì)Linux內(nèi)核代碼進(jìn)行細(xì)微修改并不對(duì)內(nèi)核作大規(guī)模的變動(dòng)，在遵循GPL協(xié)議的情況下，直接修改內(nèi)核源代碼將Linux改造成一個(gè)完全可搶占的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。核心修改面向局部，不會(huì)從根本上改變Linux內(nèi)核，并且一些改動(dòng)還可以通過(guò)Linux的模塊加載來(lái)完成，即系統(tǒng)需要處理實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)加載該功能模塊，不需要時(shí)動(dòng)態(tài)卸載該模塊。

目前kernel.org發(fā)布的主線(xiàn)內(nèi)核版本還不支持硬實(shí)時(shí)。為了開(kāi)啟硬實(shí)時(shí)的功能，必須對(duì)代碼打補(bǔ)丁。實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁是多方努力的共同成果，目的是為了降低Linux內(nèi)核的延時(shí)。這個(gè)補(bǔ)丁有多位代碼貢獻(xiàn)者，目前由Ingo Molnar維護(hù)，補(bǔ)丁網(wǎng)址如下：
www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/。

在配置已經(jīng)打過(guò)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的內(nèi)核代碼時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁添加了第4種搶占模式，稱(chēng)為PREEMPT_RT(實(shí)時(shí)搶占)。實(shí)時(shí)補(bǔ)丁在Linux內(nèi)核中添加了幾個(gè)重要特性，包括使用可搶占的互斥量來(lái)替代自旋鎖;除了使用preempt_disable()保護(hù)的區(qū)域以外，內(nèi)核中的所有地方都開(kāi)啟了非自愿式搶占(involuntary preemption)功能。這種模式能夠顯著降低抖動(dòng)(延時(shí)的變化)，并且使那些對(duì)延時(shí)要求很高的實(shí)時(shí)應(yīng)用具有可預(yù)測(cè)的較低延時(shí)。

這種方法存在的問(wèn)題是：很難百分之百保證，在任何情況下，GPOS程序代碼絕不會(huì)阻礙RTOS的實(shí)時(shí)行為。也就是說(shuō)，通過(guò)修改Linux內(nèi)核，難以保證實(shí)時(shí)進(jìn)程的執(zhí)行不會(huì)遭到非實(shí)時(shí)進(jìn)程所進(jìn)行的不可預(yù)測(cè)活動(dòng)的干擾。

2 雙內(nèi)核法
實(shí)際上，雙內(nèi)核的設(shè)計(jì)緣由在于，人們不相信標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核可以在任何情況下兌現(xiàn)它的實(shí)時(shí)承諾，因?yàn)镚POS內(nèi)核本身就很復(fù)雜，更多的程序代碼通常會(huì)導(dǎo)致更多的不確定性，這樣將無(wú)法符合可預(yù)測(cè)性的要求。更何況Linux內(nèi)核極快的發(fā)展速度，使其會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)帶來(lái)很大的變化，直接修改Linux內(nèi)核源代碼的方法將難以保持同步。

雙內(nèi)核法是在同一硬件平臺(tái)上采用兩個(gè)相互配合，共同工作的系統(tǒng)核心，通過(guò)在Linux系統(tǒng)的最底層增加一層實(shí)時(shí)核心來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中的一個(gè)核心提供精確的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理，另一個(gè)核心提供復(fù)雜的非實(shí)時(shí)通用功能。

雙內(nèi)核方法的實(shí)質(zhì)是把標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核作為一個(gè)普通進(jìn)程在另一個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行。關(guān)鍵的改造部分是在Linux和中斷控制器之間加一個(gè)中斷控制的仿真層，成為其實(shí)時(shí)內(nèi)核的一部分。該中斷仿真機(jī)制提供了一個(gè)標(biāo)志用來(lái)記錄Linux的關(guān)開(kāi)中斷情況。一般只在修改核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵代碼時(shí)才關(guān)中斷，所以其中斷響應(yīng)很小。其優(yōu)點(diǎn)是可以做到硬實(shí)時(shí)，并且能很方便地實(shí)現(xiàn)一種新的調(diào)度策略。

為方便使用，實(shí)時(shí)內(nèi)核通常由一套可動(dòng)態(tài)載入的模塊提供，也可以像編譯任何一般的子系統(tǒng)那樣在Linux源碼樹(shù)中直接編譯。常用的雙內(nèi)核法實(shí)時(shí)補(bǔ)丁有RTLinux/GPL、RTAI 和 Xenomai，其中RTLinux/GPL只允許以?xún)?nèi)核模塊的形式提供實(shí)時(shí)應(yīng)用;而RTAI和Xenomai支持在具有MMU保護(hù)的用戶(hù)空間中執(zhí)行實(shí)時(shí)程序。下面，我們將對(duì)RTAI與Xenomai進(jìn)行分析。


圖1. RTAI(左)和Xenomai(右)實(shí)時(shí)內(nèi)核在Linux中的分層結(jié)構(gòu)

圖1所示為RTAI和Xenomai兩個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核分別與標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核組成雙內(nèi)核系統(tǒng)是的分層結(jié)構(gòu)�？梢钥吹絻烧哂猩晕⒉煌�的組織形式，與Xenomai讓ADEOS掌控所有的中斷源不同的是，RTAI攔截它們，使用ADEOS將那些RTAI不感興趣的中斷通知送給Linux(也就是，中斷不影響實(shí)時(shí)時(shí)序)。這樣混合過(guò)程的目的是提高性能，因?yàn)樵谶@種情況下，如果中斷是要喚醒一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，就避免了由ADEOS管理中斷的開(kāi)銷(xiāo)。從這里可以看出，RTAI的實(shí)時(shí)性能應(yīng)該是比Xenomai要好的。

RTAI(Real-Time Linux Application interface)雖然實(shí)時(shí)性能較好，但對(duì)ARM支持不夠，更新速度極慢，造成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，研發(fā)成本高。

與RTAI相比，Xenomai更加專(zhuān)注于用戶(hù)態(tài)下的實(shí)時(shí)性、提供多套與主流商業(yè)RTOS兼容的API以及對(duì)硬件的廣泛支持，在其之上構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)能保持較高實(shí)時(shí)性，而且穩(wěn)定性和兼容性更好;此外，Xenomai社區(qū)活躍，緊跟主流內(nèi)核更新，支持多種架構(gòu)，對(duì)ARM的支持很好。

Xenomai是Linux內(nèi)核的一個(gè)實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)框架。它希望無(wú)縫地集成到Linux環(huán)境中來(lái)給用戶(hù)空間應(yīng)用程序提供全面的、與接口無(wú)關(guān)的硬實(shí)時(shí)性能。Xenomai是基于一個(gè)抽象實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)核心的，可以被用來(lái)在一個(gè)通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)調(diào)用的核心上，構(gòu)建任意多個(gè)不同的實(shí)時(shí)接口。Xenomai項(xiàng)目始于2001年8月。2003年它和RTAI項(xiàng)目合并推出了RTAI/fusion。2005年，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)理念不同，RTAI/fusion項(xiàng)目又從RTAI中獨(dú)立出來(lái)作為Xenomai項(xiàng)目。相比之下，RTAI項(xiàng)目致力于技術(shù)上可行的最低延遲;Xenomai除此之外還很著重?cái)U(kuò)展性、可移植性以及可維護(hù)性。Xenomai項(xiàng)目將對(duì)Ingo Molnar的PREEMPT_PT實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁提供支持，這又是與RTAI項(xiàng)目的一個(gè)顯著的不同。RTAI和Xenomai都有開(kāi)發(fā)者社區(qū)支持，都可以作為一個(gè)VxWorks的開(kāi)源替代。

Xenomai是基于A(yíng)deos(Adaptive Domain Environment for Operating System)實(shí)現(xiàn)的，Adeos的目標(biāo)是為操作系統(tǒng)提供了一個(gè)靈活的、可擴(kuò)展的自適應(yīng)環(huán)境;在這個(gè)環(huán)境下，多個(gè)相同或不同的操作系統(tǒng)可以共存，共享硬件資源�；�于A(yíng)deos的系統(tǒng)中，每個(gè)操作系統(tǒng)都在獨(dú)立的域內(nèi)運(yùn)行，每個(gè)域可以有獨(dú)立的地址空間和類(lèi)似于進(jìn)程、虛擬內(nèi)存等的軟件抽象層，而且這些資源也可以由不同的域共享。與以往傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)共存方法不同，Adeos是在已有的操作系統(tǒng)下插入一個(gè)軟件層，通過(guò)向上層多個(gè)操作系統(tǒng)提供某些原語(yǔ)和機(jī)制實(shí)現(xiàn)硬件共享。應(yīng)用上主要是提供了一個(gè)用于“硬件-內(nèi)核”接口的納內(nèi)核(超微內(nèi)核)，使基于Linux環(huán)境的系統(tǒng)能滿(mǎn)足硬實(shí)時(shí)的要求。

Xenomai正是充分利用了Adeos技術(shù)，它的首要目標(biāo)是幫助人們盡量平緩地移植那些依賴(lài)傳統(tǒng)RTOS的應(yīng)用程序到GNU/Linux環(huán)境，避免全部重寫(xiě)應(yīng)用程序。它提供一個(gè)模擬器模擬傳統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的API，這樣就很容易移植應(yīng)用程序到GNU/Linux環(huán)境中，同時(shí)又能保持很好的實(shí)時(shí)性。Xenomai的核心技術(shù)就是使用一個(gè)實(shí)時(shí)微內(nèi)核來(lái)構(gòu)建這些實(shí)時(shí)API，也稱(chēng)作“Skin”。Xenomai通過(guò)這種接口變種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了針對(duì)多種傳統(tǒng)RTOS的應(yīng)用編程接口，方便傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用程序向GNU/Linux的移植。圖2描述了Xenomai的這種帶Skin的分層架構(gòu)。


圖2. 帶Skin接口的Xenomai分層結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，Xenomai系統(tǒng)包含多個(gè)抽象層：Adeos納內(nèi)核直接工作在硬件之上;位于A(yíng)deos之上的是與處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer, HAL);系統(tǒng)的中心部分是運(yùn)行在硬件抽象層之上的抽象的實(shí)時(shí)內(nèi)核，實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一系列通用RTOS的基本服務(wù)。這些基本服務(wù)可以由Xenomai的本地API(Native)或由建立在實(shí)時(shí)內(nèi)核上的針對(duì)其他傳統(tǒng)RTOS的客戶(hù)API提供，如RTAI、POSIX、VxWorks、uITRON、pSOS+等�？蛻�(hù)API旨在兼容其所支持的傳統(tǒng)RTOS的應(yīng)用程序在Xenomai上的移植，使應(yīng)用程序在向Xenomai/Linux體系移植的過(guò)程中不需要完全重新改寫(xiě)，此特性保證了Xenomai系統(tǒng)的穩(wěn)健性。Xenomai/Linux系統(tǒng)為用戶(hù)程序提供了用戶(hù)空間和內(nèi)核空間兩種模式，前者通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用接口實(shí)現(xiàn)，后者通過(guò)實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)空間的執(zhí)行模式保證了系統(tǒng)的可靠性和良好的軟實(shí)時(shí)性，內(nèi)核空間程序則能提供優(yōu)秀的硬實(shí)時(shí)性。
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