如何在非實時linux上實現實時應用程序與內核模塊之間共享存儲器

linux并不是嚴格意義上的實時操作系統，為了實際需要，工程師們必須想盡辦法來禰補這一不足，于是出現了rtlinux和rtai等并不強調商業性的軟件。免費的rtlinux顯然龐大而并不兼容大部分的嵌入式平臺，最新版本的rtlinux也只能支持I386和PPC而已。Rtai是不錯的選擇，但要把它移植到你的平臺上去，為了適應你的linux版本，你的CPU，你必須的花費許多的工作，比如說最近比較流行的AT91RM9200DK，光修改linux版本補丁就要花費許多的功夫。Rtlinux和rtai為了增強linux操作系統的實時性，主要是通過開辟內核模塊與應用程序之間可以共享的內存快來實現的。它們在內核空間控制硬實時任務的運行，并通過一個名為FIFO的共享內存塊來與應用程序進行通信。他們是很不錯的軟件，我想用不了多久他們就會具備更強大的可移植性。但我在本文主要是想詳細的介紹一個適合小型嵌入式系統使用的增強linux操作系統實時性的方法。當然，原理也是開辟一個實時應用程序與內核模塊之間可以共享的內存。

眾所周知，內核空間和用戶空間只能通過系統調用來共享數據，如果進程要等待一個中斷的發生，它所能做的就是把自己掛在等待隊列里，直到中斷服務程序來喚醒它。然后，進程才把內核空間的的數據通過特定的系統調用寫到用戶空間里。大部分程序員為了避免這樣造成的不可忍耐的延時，都會把對數據的操作都放在內核空間里運行，也就是擴大中斷服務程序的功能。但如果開辟兩個空間可以共享的內存塊，程序員就不必要這么為難了。我以AT91RM9200DK的平臺為例，linux操作系統版本為2.4.19－rmk7，不需要半天時間，就可以實現兩個空間的共享內存。

AT91RM9200DK的SDRAM的大小為31Mbyte，正常情況下，System RAM的大小也是31Mbyte，我們要把31Mbyte的高端地址空出2M來作為我們的共享內存塊，這個內存塊是獨立的，不能為linux操作系統的內存管理所用了。首先必須通知內核它的內存只有30Mbyte了，我的方法是在u-boot的環境變量里設置mem＝29M。然后在include/asm-arm/目錄下建立頭文件：new_fifo.h，代碼如下：

#ifndef NEW_FIFO
#define NEW_FIFO
#endif
#ifdef NEW_FIFO
#define AT91_NEW_FIFO_BASE 0x21d00000
#define num_base(a) (0x21d00000 (0x1000 * a))
/SDRAM最后1M空間的起始地址，我把它以0x1000Byte的大小劃分成256個FIFO/

#define SPI_NUM_FIFO 2

/SPI設備占用了一個FIFO,是第三個FIFO/
#define MAX_NUM_FIFO 256
#define READONLY 0
#define READEN 0x1
#define WRITONLY 0x2
#define WRITEN 0x4
typedef struct new_fifo{
int code,key;
int start,size;
int flags;
char data[4000]; /數據區/
int endflag;
} *at91_fifo;

static char * new_fifo_fun(int num,int flags,int code,int size)
{
at91_fifo fifo_p;
int num_addr;
char * data;
if(num > MAX_NUM_FIFO)
return -1;
num_addr = num_base(num);
/printk("the num_addr is %p n",num_addr);
fifo_p = (at91_fifo)ioremap(num_addr,(1024 * 4));
/ printk("the fifo_p is %pn",fifo_p);
fifo_p->code = code;
/ printk("the code addr is %pn",(fifo_p->code));
fifo_p->flags = flags;
fifo_p->size =size;
data = (fifo_p->data[0]);
/printk("the data addr is %pn",data);
return data;
}
#endif

在設備驅動程序中，首先在注冊中斷服務程序之前，要調用new_fifo_fun函數，得到數據區首地址的指針。這個指針在這個設備驅動程序中可被設置成全程變量。然后在中斷服務程序中直接對數據進行讀寫。
比如說，在文件頭部寫：
static char * data;
然后在初始化文件中，注冊中斷之前加入：
data = new_fifo_fun(SPI_NUM_FIFO,WRITEN,0,100);
最后在中斷服務程序中加入：
for(i=0;i100;i )
*(data ) = i;
接下來，需要做的工作必須到用戶空間去做，我設計了一個簡單的進程，就是讀取SPI的FIFO空間的數據，通過/dev/mem來讀取SDRAM高地址的數值，使用的是mmap函數，全文如下：
#include sys/types.h>
#include stdio.h>
#include sys/stat.h>
#include unistd.h>
#include sys/mman.h>
#include sys/fcntl.h>
#include dirent.h>
#include stdlib.h>
#include errno.h>
#include string.h>
#include assert.h>
#include getopt.h>


main()
{
int *mmaddr;
int i,fd;

fd=open("/dev/mem", O_RDWR);
mmaddr = (int *)mmap(0, 1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fd, 0x21d02000);
for(i=0;i10;i )
{printf("the mmaddr data is %pn",*(mmaddr ));
printf("%dn",i);

}
}
打印出來的結果是：
the mmaddr data is (nil)
0
the mmaddr data is 0xd24e92c2
1
the mmaddr data is 0xf01ab26d
2
the mmaddr data is 0x64
3
the mmaddr data is 0x4
4
the mmaddr data is 0x3020100
5
the mmaddr data is 0x7060504
6
the mmaddr data is 0xb0a0908
7
the mmaddr data is 0xf0e0d0c
8
the mmaddr data is 0x13121110
9
太好了，說明我們數據讀寫都成功拉。同樣的，如果要把用戶空間的數據寫到內核空間也是可以的。只不過實時系統比較少有這樣的要求。如果這個時候，進程在用戶空間監視FIFO里的某幾個數值，當這個數值變得符合要求的時候，進程認為中斷已經發生，并可以讀取數據了。
但是，直接對共享內存空間的數據操作比通過系統調用能夠增加多少的實時性呢？這個我沒有進行精確的計算，但以前我做過一個試驗：用2.4.14版本的linux，平臺以MPC823E（motorola的PPC）為CPU，主頻為50M，擴展了一個語音壓縮調制系統，該系統的中斷線中斷頻率是幾乎1ms一次。使用系統調用的結果就是10個中斷的數據幾乎就被有沖掉3－4個，因為語音的要求系統又不能開更多的緩存，后來就使用了這篇文章里說的這個方法，0.1ms級的中斷都扛住了。這對以后平臺上跑更多的進程比較有保障。