Linux数控系统的实时性解决方案.pdf

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1、基于嵌入式基于嵌入式 Linux 数控系统的实时性解决方案数控系统的实时性解决方案 摘要：摘要：本文介绍了一种基于嵌入式 Linux 数控系统的实时性解决方案。文章首先对数控系统中的实时性任务进行分析，然后讨论了嵌入式 Linux 在实时性方面的不足，最后提出了采用双内核的方法来满足数控系统中的实时性要求。关键词：关键词：嵌入式 Linux，数控，实时 中图分类号：中图分类号：TP316 文献标识码：文献标识码：A The Key to Complete Embedded Linux?Abstract：This paper introduces a solution to real time

2、of numerical control system based on embedded Linux.Firstly,the paper analyses real time tasks in numerical system.Then the paper discusses the limitation of embedded Linux on real time.Lastly,the paper brings forward a way to fulfill real time of numerical control system by double kernel.Key words:

3、Embedded Linux,numerical control,real time 1 引言 Linux 操作系统不仅能够运行于标准 PC 平台，而且在嵌入式系统中的应用也日趋成熟。可以说，嵌入式系统和 Linux 的有机结合，成为后 PC 时代计算机最普遍的应用形式。将嵌入式 Linux 与机床数控技术相结合，在嵌入式 Linux 平台上开发数控系统具有许多优点。比如，硬件上采用 PC104 嵌入式主板，结构紧凑，适合恶劣的现场环境。软件方面，Linux操作系统具有内核小、源代码开放、可靠性高、易扩展等优良特性。但是，Linux 在硬实时方面有缺陷，而数控系统恰恰对操作系统平台有硬实时要求

4、，因此，如何解决好嵌入式 Linux的实时性，成为实现数控系统的关键。2 数控系统实时任务分析 实时的含义是指在规定的时限内能够传递正确的结果，迟到的结果就是错误。实时性又可以分为“硬实时”和“软实时”1。二者的区别在于：前者如果在不满足响应时限、响应不及时的情况下都会导致灾难性的后；而后者则在不满足响应时限时，系统性能退化，但并不会导致灾难性的后果。数控系统对实时性的要求属于前者。为了充分利用现有计算机的软硬件资源，在数控系统中引入了“任务”概念。任务就是在功能上具有单一性并且能够独立运行的基本单元。数控系统中的功能可分解为多任务，并且任务有实时和非实时之分，对于实时性不同的任务，系统处理的

5、方法不同，按其实时性不同，任务可分为以下几种：?实时突发性任务 实时突发性任务的发生具有随即性，要求有很高的实时性，它包括机床急停、系统故障中断等。?实时周期性任务 实时周期性任务是指严格按定长时间间隔触发，并且在规定的时间内必须完成处理的任务。在数控系统中主要指加工过程中的插补控制、位置控制等。这类任务对于机床运行和加工质量具有相当重要的作用，因此具有比较高的优先级，在执行过程中一般不允许被中断。?实时非周期任务 数控系统中有些任务是一次性启动的，并不需要严格按照等长时间间隔定时触发，任务的一次启动能引起后续任务的长时间的运行，这类任务一般具有比较低的优先级。例如程序译码、刀具补偿。?非实时

6、任务 非实时性任务是指对实时性没有要求的任务，主要包括加工程序的编辑、系统参数管理、加工信息显示等。在数控加工过程中，这类任务对于机床运行和加工质量的影响较小，其主要作用是让操作者了解机床运行状况，增强机床的易操作性。2数控系统任务调度的关键在于对实时任务的处理，由于数控系统中的多任务是通过多线程和中断响应来实现的，而线程的调度以及中断的处理都与操作系统密不可分，因此要求操作系统必须具有实时性。3 Linux 在实时性方面的不足 Linux 在 1.3 版之后提供了有限的 POSIX 实时支持，它可以将一个进程指定为一个实时进程，调度程序给实时进程赋一个高的优先权，以满足该进程的实时性要求。但

7、是，严格的讲，Linux 不是一个实时操作系统，它实现的只是软实时，无法满足硬实时的要求。比如，Linux 一般是在 600 微秒内开始一个中断服务程序2，而在数控系统中，中断延迟时间要求小于 100 微妙。从操作系统内部机制来看，Linux 在实时性方面的缺陷表现在以下几点：?进程调度问题 Linux 的核心是不可抢先的，采用基于固定时间片的可变优先级调度，当一个低优先级的进程由于系统调用而进入核心状态后，除非当前进程需要等待资源释放而挂起，否则后来的高优先级的进程只能等待当前进程完成系统调用。而系统调用的完成时间有很大的不可预测性，这对一些要求高优先级进程立即抢占 CPU 的实时应用是不能

8、满足要求的。?时间精度及定时器问题 Linux 通过对硬件时钟的编程产生周期为 100Hz 的时钟中断，因此任务调度的最小周期只能达到 10ms3，这无法满足一些对时间精度要求苛刻的实时应用。?关中断问题 在系统调用中，为了保护临界区资源，Linux 会长时间关掉中断，这样会加大中断延迟时间，阻塞高优先级的中断立即被处理。在实时应用中，这是一个十分严重的问题。Linux 之所以有以上问题，是因为它最主要的设计原则是最大限度地利用各种资源，力求最“公平”地调度各个进程，以获得最大的整体性能。但这种“公平”的原则，是以系统的实时性为代价的，因此 Linux 不能满足数控系统实时性的要求。4 实时性

9、解决方案 为了解决上述 Linux 在实时性方面的不足，我们提出了双内核的解决方案，即Linux 加 RTLinux。RTLinux 是由美国新墨西哥州的 FSM 实验室开发的面向实时和嵌入式应用的操作系统。RTLinux 实现了一个小巧的可抢先的实时内核（如图 1 所示）。把标准的 Linux 核心作为实时核心的一个进程同用户的实时进程一起调度，Linux 内核的优先级最低，可以被实时进程抢先4。Linux 进程仍可以在 Linux 核心上运行，而系统的实时特性由实时内核保证。针对Linux 在实时性方面的缺陷，RTLinux 从以下几个方面做了改进，从而满足实时性的要求。?中断模拟 为了解

10、决 Linux 长时间关中断的问题，RTLinux在硬件中断控制器和Linux核心之间用一层软中断模拟器进行隔离，所有的硬件中断都被中断模拟器接收(如图 1 所示)。Linux 的开中断和关中断只是在 RTLinux 的数据结构中作一个标记，不是真正的关中断。当中断发生时，中断模拟器截获该中断。实时内核首先检查是否有实时处理程序要处理这个中断，如果有则调用实时处理程序，没有则交给 Linux 内核处则交由 Linux 处理。如果 Linux 处于开中断状态，则执行相应中断处理程序；如果 Linux 处于关中断状态，则将该中断送入等待队列。这样，系统不会错过中断信号，而且对实时中断能做出及时响应

11、。Interrupt control hardware(中断控制硬件)Real-time kernel (实时内核)Linux 内核 Real-time tasks（实时任务）Linux processes(Linux 程序)图 1 RTLinux 数据和控制流程示意图 3?实时任务调度 RTLinux 的任务调度器采用固定优先级的可抢先调度机制，任何实时任务优先级都高于Linux 任务。实时内核将实时任务放入一个实时队列中，每个实时任务有一固定优先级，每次时钟中断时，调度器选取就绪队列中的最高优先级的任务投入运行。如已就绪任务的优先级比当前任务的优先级高，则当前任务被抢断。?实时时间精度 由

12、于 Linux 任务调度的最小周期为 10ms，因此无法满足更高时间精度的要求。在RTLinux 中，把需要高度时间精确度的工作写成一个驱动程序的形式，然后直接用 CPU 时序芯片(timer chip)所产生的中断呼叫这个驱动程序。由于 CPU 时序芯片的时间精度为纳秒级，因此可以最大限度满足时间精度的要求。通过以上的方法，RTLinux 的最大中断延迟时间不超过 15 us，最大任务切换时间不超过 35 us5，满足了硬实时特性。在数控系统中，采用 RTLinux 与 Linux 的结合，是一个非常理想的解决方案。将实时任务交由 RTLinux 处理，非实时任务交由 Linux 处理。即满

13、足了实时任务对硬实时的要求，又可以利用 Linux 丰富的资源来处理非实时任务。两个内核之间通过 FIFO、共享内存等方法进行数据交换，共同完成加工任务。5 数控系统软件结构设计 本课题采用 Linux 与 RTLinux 组合作为操作系统平台，从任务处理角度，将操作系统平台可分为实时域和非实时域，如图 2 所示。实时域由 RTLinux 实时内核组成，专门处理实时性任务。标准 Linux 组成非实时域，利用 Linux 丰富的资源，开发非实时软件。根据数控系统任务的实时性要求，从结构上可以将软件分为实时部分和非实时部分，因此，整个数控软件必然分布在实时和非实时两个域，两个域之间通过通信机制相

14、联系。从图中可以看出，实时软件部分运行于 RTLinux 实时内核空间，最大程度的保证了数控任务的实时性。由于各个任务在功能上相对独立，因此，可以采用内核线程形式来实现。RTLinux 支持 POSIX 标准，每一个任务创建一个实时线程。非实时部分软件运行于 Linux用户空间，因此可以利用 Linux 中丰富的函数库资源。非实时软件主要包括人机界面，它完成信息显示、程序编辑、参数设置等功能。6 结论 采用 RTLinux 加 Linux 双内核的实时性解决方案，不仅彻底解决了 Linux 操作系统在硬实时方面的缺陷，满足了数控系统的要求，而且本方案无须对 Linux 内核进行改动，简单易通信

15、 实时域 非实时域 译码刀补 位控插补 PLC RTLinux 内核空间Linux 用户空间 人机界面 程序编辑信息显示参数设置 Linux 内核空间 图 2 数控系统软件结构 4行。此外，RTLinux 属于免费软件，大大降低开发成本，因此，在数控系统中这种双内核结构是一种比较理想的实时性解决方案。参考文献参考文献 1 马毅，李霞峰，盛焕烨基于 Linux 的实时操作系统设计J计算机工程与应用，2001，(23)：109-110，176 2 陈莉君.Linux 操作系统内核分析M.北京:人民邮电出版社,2000.3 周巍松.Linux 系统分析与高级编程技术M.北京：机械工业出版社，1999.4 郭晋峰RTLinux 的原理及其实时程序的开发J微型机与应用，2001,(4)：8-10 5 陈文智，王总辉 嵌入式实时系统 RTLinux 的实现和测试J 计算机应用与研究，2001，(19):157-159