【原创】xenomai内核解析之xenomai的组成结构

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这是第二篇笔记。

一、xenomai 3

从xenomai3开始支持两种方式构建linux实时系统,分别是cobaltmercury

  • cobalt :添加一个实时核,双核结构,具有实时内核cobalt、实时驱动模型RTDM、实时应用POSIX接口库libcobalt,基于libcobalt的其他API skins,如Alchemy APIVxWorks® emulatorpSOS® emulator等。

  • mercury :基于直接修改linux内核源代码的PREEMPT RT,应用空间在glibc之上,添加xenomai API库,如下图所示。在不支持cobalt内核时,可使用该方法运行xenomai应用;当然,也可不需要PREEMPT RT,那么实时性就……

二、xenomai3 结构

mercury只是在glibc上加了一层皮,不是接下来研究的对象。我们看cobalt ,从底层硬件驱动、内核空间到用户空间,保证了实时任务的实时性。其整体结构如图所示。


在内核空间,在标准linux基础上添加一个实时内核Cobalt,得益于基于ADEOS(Adaptive Domain Environment for Operating System),使Cobalt在内核空间与linux内核并存,并把标准的Linux内核作为实时内核中的一个idle进程在实时内核上调度。

2000年,Karim发表了一篇名为《操作系统的自适应域环境》的论文(即Adeos,Adaptive Domain Environment of Operating System),该论文描述了一种简单而智能的方案,用于在同一系统上运行的多个内核之间共享公共硬件资源。他通过“pipeline”抽象来说明在x86硬件上共享中断的基本机制,根据整个系统给定的优先级,依次向每个内核传入中断。他倡导一种对硬件中断进行优先级排序的新方法,以便可以开发基于Linux内核的实时扩展,而无需使用当时已被某些专有RTOS供应商申请授予专利方法,指的就是WindRiver和RT-linux使用的RTHAL技术。
ADEOS (Adaptive Domain Environment for Operating System),提供了一个灵活的环境,可以在多个操作系统之间或单个OS的多个实例之间共享硬件资源,从而使多个优先级域可以同时存在于同一硬件上。早期在xenomai 2上使用。

2005年6月17日,Philippe Gerum发布用于Linux内核的I-pipe,I-pipe基于ADEOS,但是I-pipe更精简,并且只处理中断,xenomai3使用I-pipe。

ADEOS ,其核心思想是Domain,也就是范围的意思,linux内核有linux内核的范围,cobalt内核有cobalt内核的范围。两个内核管理各自范围内的应用、驱动、中断;两个domain之间有优先级之分,cobalt内核优先级高于linux内核;I-pipe优先处理高优先级域的中断,来保证高优先级域的实时性。此外,高优先级域可以通过I-pipe 向低优先级域发送各类事件等。

在用户空间,添加针对实时应用优化的库--libcobalt,libcobalt提供POSIX接口给应用空间实时任务使用,应用通过libcobalt让实时内核cobalt提供服务。

驱动方面,xenomai提供实时驱动框架模型RTDM(Real-Time Driver Model),专门用于Cobalt,基于RTDM进行实时设备驱动开发,为实时应用提供实时驱动。RTDM将驱动分为2类:

•字符设备(open/close, read, write, ioctl),如UART,UDD,SPI,Memory,……

•协议设备(socket, bind, send, recv, etc),如UDP/TCP,CAN,IPC,……

中断方面,I-Pipe(interrupt Pipeline)分发Linux和Xenomai之间的中断,并以Domain优先级顺序传递中断。I-Pipe传递中断如下图所示,对于实时内核注册的中断,会直接得到处理。对于linux的中断,先将中断记录在i-log,等实时任务让出CPU后,linux得到运行,该中断才得到处理。

实时内核cobalt与非实时内核linux相结合,既能提供工业级RTOS的硬实时性能,又能利用linux操作系统非常出色的网络和图形界面服务,在产品的开发周期和成本控制方面都有巨大优势 。

解析系统调用是了解内核架构最有力的一把钥匙,后续文章会以xenomai POSIX接口(libcobalt )为入口,解析xenomai内核。

参考链接:

ADEOS

Adaptive Domain Environment for Operating Systems

ELC-2018-Xenomai

Xenomai 3 – An Overview of the Real-Time Framework for Linux

Real-Time Linux Testbench on Raspberry Pi 3 using Xenomai

2004年10月Philippe Gerum专访

posted @ 2020-05-05 22:00  木多  阅读(713)  评论(0编辑  收藏