RTLinux下的一种实时应用通信机制

  摘要：RTLinux实时应用程序的开发模式；详细说明两种在实时模块与非实时模块之间
进行通信的主要通信接口的实现和使用方式；提出一种将以上两种接口有机结合的实时应
用内部通信机制，并通过实验证该方法的可操作性。

    关键词：RTLinux 通信接口 实时 共享内存 RT_FIFO

实时性是多任务嵌入式系统的基本特征之一，主要表现为对重要性各不相同的任务进行统
筹兼顾的合理调度能力。根据应用系统对时限要求的严格程度又分为软实时和硬实时。


RTLinux作为Linux最为通用的几种硬实时扩展之一，表现了良好的硬实时性。同时，为了
更有效地为各种实时应用服务，提供了多种与Linux中非实时进行通信的接口，主要有共享
内存、RT_FIFO和线程信号驱动机制，三者的应用重点各不相同。其中前两种较为常用[1]
。由于不的实现机理，这两种接口的应用范畴各有侧重。经过实践，笔者认为将以上两种
接口有机地结合，利用共享内存传送大容量、对读/写时序要求不高的数据信息；同时，利
用RT_FIFO辅助实现对该共享内存的同步控制，能够综合两者的优势，是RTLinux下一种十
分有效的实时应用通信模式。

1 RTLinux的结构和应用程序开发模式

作为Linux的硬实时扩展，RTLinux一个重要的计准则在于：尽可能多地利用Linux内核所能
提供的功能[2]。

显示、记录、设备初始化、阻塞式动态资源分配和模块化内核管理等无实时要求或者与硬
实时性要求相悖的服务均由Linux提供。RTLinux内核则主要为实时任务提供对硬件的直接
访问，使得它们具有最小的延迟和最优先的处理器利用权。

基于以上准则，RTLinux中的实时应用程序开发通常具有一个通用的模式，如图1所示。按
照运行环境和对实时要求的严格程度分为实时和非实时两个模块。非实时模块的功能包括
结果数据显示。用户交互、数据存储等；实时模块主要负责响应数据采集外设的中断，结
果数据的采集。两者通过RT_FIFO或者共享内存进行通信，组成一个完整的实时数据采集程
序。

2 RTLinux中的两种通信接口

RTLinux提供了RT_FIFO和共享内存两种标准通信接口，用于实时任务和非实时任务之间的
交互。

2.1 RT_FIFO

RT_FIFO（First-In-First-Out，先进先出）是一种提案队列机制组织的字符设备。在Lin
ux文件系统中，主设备号为150。一个系统平台中能够同加载FIFO的模块数RTF_NO定义在r
t_fifo_new.c中，一般为64，在文件系统中分别对庆设备文件/dev/rtf0..63。在系统资源
允许的情况下，一个用户进程所能同时使用的FIFO数和每个FIFO的容量是没限制的。

RT_FIFO具有如下特征：

*队列中的数据传送采用数据流形式，必须自行定义数据边界监测机制，尤其对于不定长度
数据的传输。

*具备完善的同步阻塞机制，利用同一FIFO进行通信的两进程间无需自行增加同步控制。


*一种点对点的通信通道，不支持单生产者、多消费者的使用模式。

作为一个完善的队列模块，RT_FIFO的使用简便易行，具体实现主要包括创建、读/写操作
、释放三个步骤。在Linux文件系统中，RT_FIFO是一个字符设备文件，所以在非实时线程
中访问RT_FIFO时，使用标准的字符设备读/写函数即可（read、write、open、close，et
c）。以上函数的调用方式均为阻塞式调用：当FIFO中有数据可读时，立即返回；否则，会
陷入无限等待之中。

从RT进程中访问RT_FIFO，所涉及到的RTLAPI如下：

#include

[创建]

int rtf_create(unsigned int fifo,int size);

内核空间中，为编号fifo的RT_FIFO设备分配size字节的缓冲区。fifo对应于所使用RT_FI
FO的次设备号。

[释放]

int rtf_destroy(unsigned int fifo)；

释放内核空间中次设备号为fifo的RT_FIFO设备缓冲区。

注意：以上两个函数涉及到内核空间的缓冲区分配，必须分别在Linux的init_module（）
和cleanup_module()中调用，或者在用户空间通过PSC（the user-level real-time sign
al library,用户级实时库函数）进行调用。

[读/写操作]

int rtl_get(unsigned int fifo,char *buf,int count)；

从FIFO中读出长度为count字节的数据，存放buf之中。

Int rtf_put（unsigned int fifo,char * buf,int count）；

将长度为count字节的数据写入FIFO中。

Int rtf_create_handle(unsigned int fifo,int(&handler)(unsigned int fifo))；

创建一个回调函数句柄，当FIFO被Linux进程读/写时，被调用。通常与rtl_get结合使用，
用于异步的从Linux进程中接收数据，从而避免采用轮询的方式。

2.2 共享内存

共享内存是指被闲置出来专用于内核空间和用户空间进行通信的内存区域。相对于FIFO具
有如下特点：

*应用程序必须自己定义相应的协议，对于写入共享数据区域的有数据进行保护，如同步控
制等。

*数据可以既定格式读/写，各个数据域的更新十分便易。

*不是点对点的通信通道，可以支持多生产者、多消费者的使用模式，能够同时被多个线程
访问。

    在RTLinux下，共享内存的使用可采用以下两种方式：

（1）利用RTLinux中附带的mbuff模块

在使用mbuff之前，要求系统中已经加载了mbuff.o模块。该模块中的两个函数被分别用于
分配和释放所需的内存空间。

#include

[分配]

void * mbuff_alloc(const char * name,int size)；

从内核空间中分配一块与name相连，大小为size字节的内存空间，返回地址指针，设备这
块空间的引用标识为1。如与name相连的内存空间已经存在，就仅仅返回指向该空间的地址
指针，同时将其引用标识加1。

[释放]

void mbuff_free(const char * name,int size)；

将mbuff的引用标识减1。当引用标识被减为0时，释放mbuff。