RTLinux: Операционная система реального времени на ядре Linux

Введение

Операционная система реального времени

RTLinux — это микроядро операционной системы реального времени (RTOS), которое запускает всю операционную систему Linux как полностью вытесняемый процесс. Свойство жёсткого реального времени позволяет управлять роботами, системами сбора данных, производственными предприятиями и другими приборами и машинами, критичными ко времени, из приложений RTLinux. Дизайн был запатентован. Несмотря на схожее название, он не связан с проектом Real Time Linux от Linux Foundation. RTLinux был разработан Виктором Йодайкеном, Майклом Барабановым, Кортом Дуганом и другими в Институте горнодобывающей промышленности и технологий Нью-Мексико, а затем как коммерческий продукт в FSMLabs. Wind River Systems приобрела встраиваемые технологии FSMLabs в феврале 2007 года и выпустила версию под названием Wind River Real Time Core для Wind River Linux. С августа 2011 года компания Wind River прекратила поддержку линейки продуктов Wind River Real Time Core, что фактически положило конец коммерческой поддержке продукта RTLinux.

Предыстория

Основной целью разработки RTLinux было добавление возможностей жесткого реального времени в стандартную операционную систему для упрощения разработки сложных управляющих программ, обладающих обеими этими возможностями. Например, можно было разработать контроллер двигателя в реальном времени, использующий стандартную базу данных и предоставляющий веб-интерфейс оператора. Вместо попытки создать единую операционную систему, поддерживающую как возможности реального, так и нереального времени, RTLinux был разработан для совместного использования вычислительного устройства операционными системами реального и нереального времени таким образом, чтобы (1) операционная система реального времени никогда не блокировалась операционной системой нереального времени и (2) компоненты, работающие в разных средах, могли легко обмениваться данными. Как следует из названия, изначально RTLinux был разработан для использования Linux в качестве системы нереального времени, но в конечном итоге ядро RTCore реального времени стало поддерживать как Linux, так и Berkeley Software Distribution (BSD) Unix. Multi Environment Real Time (MERT) был первым примером операционной системы реального времени, сосуществующей с системой Unix. MERT использовал традиционные методы виртуализации: ядро реального времени выступало в роли операционной системы хоста (или гипервизора), а Bell Systems Unix – в роли гостевой системы. RTLinux был попыткой обновить концепцию MERT для эпохи ПК и стандартного оборудования. Это также была попытка преодолеть ограничения производительности MERT, особенно накладные расходы, связанные с виртуализацией. Вместо инкапсуляции гостевой ОС в виртуальную машину, RTLinux виртуализировал только управление прерываниями гостевой системы. Этот метод позволил ядру реального времени преобразовать гостевую операционную систему в полностью прерываемую систему, которая при этом могла напрямую управлять, например, устройствами хранения. В частности, стандартные драйверы для гостевой системы работали без изменения исходного кода, хотя их необходимо было перекомпилировать для использования виртуализационных "перехватчиков". См. также паравиртуализацию. Механизм Unix pipe был адаптирован для обеспечения связи между программами реального и нереального времени, хотя также были добавлены и другие методы, такие как общая память. С точки зрения программиста, RTLinux изначально представлял собой небольшую потоковую среду для задач реального времени и стандартную среду Linux для всего остального. Операционная система реального времени была реализована в виде загружаемого модуля ядра, который начинал с виртуализации управления прерываниями гостевой системы, а затем запускал планировщик реального времени. Задачам назначались статические приоритеты, а планирование изначально основывалось исключительно на приоритетах. Гостевая операционная система включалась как задача с наименьшим приоритетом и фактически действовала как задача простоя для системы реального времени. Задачи реального времени выполнялись в режиме ядра. В последующей разработке RTLinux был принят Portable Operating System Interface (POSIX) и API POSIX threads, а затем была разрешена возможность создания потоков в пользовательском режиме с потоками реального времени, работающими внутри гостевых процессов. В многопроцессорных средах потоки привязывались к ядрам процессора, и можно было предотвратить запуск гостевого потока на определенном ядре (фактически резервируя ядра исключительно для обработки в реальном времени).

The key RTLinux design objective was to add hard real time capabilities to a commodity operating system to facilitate the development of complex control programs with both capabilities. For example, one might want to develop a real time motor controller that used a commodity database and exported a web operator interface. Instead of attempting to build a single operating system that could support real time and non real time capabilities, RTLinux was designed to share a computing device between a real time and non real time operating system so that (1) the real time operating system could never be blocked from execution by the non real time operating system and (2) components running in the two different environments could easily share data. As the name implies RTLinux was originally designed to use Linux as the non real time system but it eventually evolved so that the RTCore real time kernel could run with either Linux or Berkeley Software Distribution (BSD) Unix. Multi Environment Real Time (MERT) was the first example of a real time operating system coexisting with a Unix system. MERT relied on traditional virtualization techniques: the real time kernel was the host operating system (or hypervisor) and Bell Systems Unix was the guest. RTLinux was an attempt to update the MERT concept to the PC era and commodity hardware. It was also an attempt to also overcome the performance limits of MERT, particularly the overhead introduced by virtualization. Instead of encapsulating the guest OS in a virtual machine, RTLinux virtualized only the guest interrupt control. This method allowed the real time kernel to convert the guest operating system into a system that was completely preemptible but that could still directly control, for example, storage devices. In particular, standard drivers for the guest worked without source modification although they needed to be recompiled to use the virtualization "hooks". See also paravirtualization. The Unix pipe was adapted to permit real time and non real time programs to communicate, although other methods such as shared memory were also added. From the programmer's point of view, RTLinux originally looked like a small threaded environment for real time tasks plus the standard Linux environment for everything else. The real time operating system was implemented as a loadable kernel module which began by virtualizing guest interrupt control and then started a real time scheduler. Tasks were assigned static priorities and scheduling was originally purely priority driven. The guest operating system was incorporated as the lowest priority task and essentially acted as the idle task for the real time system. Real time tasks ran in kernel mode. Later development of RTLinux adopted the Portable Operating System Interface (POSIX) POSIX threads application programming interface (API) and then permitted creation of threads in user mode with real time threads running inside guest processes. In multiprocessor environments threads were locked to processor cores and it was possible to prevent the guest thread from running on designated core (effectively reserving cores for only real time processing).

Реализация

RTLinux предоставляет возможность запуска специальных задач реального времени и обработчиков прерываний на той же машине, что и стандартный Linux. Эти задачи и обработчики выполняются, когда это необходимо, независимо от текущей деятельности Linux. В худшем случае время между моментом обнаружения аппаратного прерывания процессором и моментом начала выполнения обработчика прерывания составляет менее 15 микросекунд на RTLinux, работающем на типовой платформе x86 (приблизительно 2000 года). Периодическая задача RTLinux выполняется в пределах 35 микросекунд от запланированного времени на том же оборудовании. Эти показатели ограничены аппаратными возможностями, и с улучшением аппаратного обеспечения RTLinux также будет совершенствоваться. Стандартный Linux обладает отличной средней производительностью и может даже обеспечивать точность планирования на уровне миллисекунд для задач, использующих возможности мягкого реального времени POSIX. Однако стандартный Linux не предназначен для обеспечения субмиллисекундной точности и надежных временных гарантий. RTLinux был построен на основе легковесной виртуальной машины, в которой "гостевой" системе Linux был предоставлен виртуализированный контроллер прерываний и таймер, а ко всему остальному оборудованию осуществлялся прямой доступ. С точки зрения "хоста" реального времени, ядро Linux является потоком. Прерывания, необходимые для детерминированной обработки, обрабатываются ядром реального времени, а остальные прерывания перенаправляются в Linux, который работает с более низким приоритетом, чем потоки реального времени. Драйверы Linux обрабатывали почти весь ввод-вывод. Для обмена данными между операционной системой и RTLinux можно использовать FIFO-каналы (First In, First Out) или общую память.

Цель

Основная цель разработки RTLinux – создание системы, которая была бы прозрачной, модульной и расширяемой. Прозрачность подразумевает отсутствие недоступных "черных ящиков" и возможность определения стоимости любой операции. Модульность означает, что можно исключить ненужную функциональность и связанные с ней затраты. А расширяемость – возможность для программистов добавлять модули и настраивать систему под свои задачи. Базовая система RTLinux обеспечивает только высокоскоростную обработку прерываний. Она включает простой планировщик приоритетов, который легко заменить на планировщики, лучше подходящие для конкретных приложений. При разработке RTLinux особое внимание уделялось максимальному использованию преимуществ Linux и его широких возможностей.

Основные компоненты

RTLinux имеет структуру, состоящую из небольшого базового компонента и набора дополнительных компонентов. Базовый компонент обеспечивает установку обработчиков прерываний с крайне низкой задержкой, которые не могут быть задержаны или прерваны самой системой Linux, а также некоторые подпрограммы синхронизации и управления прерываниями низкого уровня. Этот базовый компонент был расширен для поддержки SMP и одновременно упрощен за счет исключения части функциональности, которую можно реализовать вне ядра.

Функции

Большинство функций RTLinux реализованы в наборе загружаемых модулей ядра, предоставляющих дополнительные сервисы и уровни абстракции. Эти модули включают в себя:

rtl sched – планировщик приоритетов, поддерживающий как облегченный интерфейс POSIX, описанный ниже, так и оригинальный API RTLinux V1. rtl time – модуль, управляющий тактовыми частотами процессора и экспортирующий абстрактный интерфейс для подключения обработчиков к тактовым сигналам. rtl posixio – обеспечивает поддержку интерфейса чтения/записи/открытия в стиле POSIX для драйверов устройств. rtl fifo – соединяет задачи RT и обработчики прерываний с процессами Linux через уровень устройств, позволяя процессам Linux читать и записывать данные в компоненты RT. semaphore – пакет, разработанный Джерри Эпплином, предоставляющий задачам RT блокирующие семафоры. Поддержка POSIX mutex планируется к реализации в следующем незначительном обновлении RTLinux. mbuff – пакет, написанный Томашем Мотилевским, для организации разделяемой памяти между компонентами RT и процессами Linux.

Задачи в реальном времени

Задачи RTLinux, работающие в режиме реального времени, реализуются в виде модулей ядра, аналогичных модулям, используемым Linux для драйверов, файловых систем и так далее. Задачи реального времени имеют прямой доступ к аппаратному обеспечению и не используют виртуальную память. При инициализации задача (модуль) реального времени сообщает ядру RTLinux о своих ограничениях по срокам, периоду и времени выпуска.