RT-Linux(Real Time Linux) はLinuxにパッチを当てたリアルタイムOSである。
リアルタイムOSとは実時間処理用のOSで、要求された時刻に確実に処理が行われるものである。
RT-Linuxの特徴は、市販のRT-OSに比べて遥かに安価(無料)で手にはいること、
Linuxの持つアプリケーションや開発環境をそのまま利用できることである。
リアルタイムタスクとLinuxプロセス間の通信は、RT-Linuxカーネル内の情報交換機能しての
リアルタイムFIFO(First In First Out,データが転送した順番で取り出される機能)によって実現される
- RT-Linux基本用語
- POSIX…IEEEによって定められたUNIXシステムのインターフェース仕様。RT-Linux v2.3では全てのAPI関数がPOSIXスタイルで 構成されているのではなく、POSIX＋非POSIX（RT-Linux独自）のスタイルでプログラミングを行う。
- API関数…RT-Linuxで用意されている関数
- API…Applocation Programing Interfaceの略。アプリケーションは、基本的にすべての処理をこのAPIを経由して行なう
- スレッド…複数のCPUを持つコンピュータシステム上で、共有メモリを使用して 並列計算を行うOS機能。スレッドプログラミングを行うことで、1つのプログラム（プロセス） の中で、複数のスレッドがアドレス空間を共有して、情報の交換を高速で効率的に行うことができる。
- FIFO…リアルタイムタスクとLinuxプロセス間の情報交換機能。(First In First Out)
- リアルタイムカーネルモジュール
Linuxでリアルタイム処理を実現するために、RT-Linux V2.3では、次のカーネルモジュールが供給されている。
カーネルモジュール カーネル 内容 rtl_sched POSIXインターフェースとRT-Linux V1.xで供給されている APIの双方をサポートする優先順位スケジューラ。 rtl_time プロセッサのクロックを制御し、ハンドラのクロックに接続するインターフェースを 提供する。 rtl_posixio デバイスドライバに対して、POSIXスタイルのopen/read/writeインターフェースを サポートする。 rtl_fifo リアルタイムタスクとLinuxプロセス間の、データのread/writeインターフェースを提供する。 RT-Linux V2.x用に開発されたリアルタイムプログラムを実行するためには、あらかじめこれらのカーネルモジュールをカーネルに組み込んでおく必要がある。
カーネルモジュールの組み込み方法は、シェルスクリプトを使う。（ひとつひとつ組み込むこともできる）
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ソフトウェアは下記のタスク・ドライバから構成される。
- 超音波センサ(RT-task1)
- 赤外線センサ(driver1)
- タッチセンサ(driver2)
- ロータリーエンコーダ・PWM(RT-task2)
- LCD(driver3)
- 超音波センサ(RT-task1)
- 行動制御プログラムからコマンド（センサ選択番号）がFIFO1に書き込まれてから超音波が送信される。
超音波センサを選択した時の時刻と、割込みがはいった時の時刻のデータから距離に換算し、FIFO2に書き込む。
ただし、一秒たっても割り込みが入らない場合はタスク1（タイムアウトタスク）が起動し、エラー値をFIFO2に書き込んでタイムアウトとする。
- 赤外線センサ(driver1)
- 赤外線センサタスクの機能は、割り込みが発生したとき、他の割り込みをマスクし、データの保存を行いその割り込み信号をリセットした後、通常動作に戻ることである。
- タッチセンサ(driver2)
- タッチセンサタスクの機能は、タッチセンサが反応する度にこのタスクが起動し、タッチセンサの状態を保存することである。
- ロータリーエンコーダ・PWM(RT-task2)
- ロータリーエンコーダタスクの機能は、一定時間ごとにロータリーエンコーダの値を読み込んで、そこからx,y座標と姿勢角θを計算しCPUにデータを送ることである。
PWMタスクの機能は、CPUから受け取ったduty比のデータをPWM信号に変換してモーターへ送ることである。 - LCD(driver3)
- LCDドライバは、各センサ・ロータリーエンコーダ・PWMの情報やシステムの状態を表示することを目的とする。
これらのタスク・ドライバと行動制御プログラムとのデータ、コマンドのやりとりはFIFOによって行われる。このFIFO一つに対し一つの役割を持たせ必要な数だけ用意する。具体的に下記の表に示す。
FIFOの役割
| FIFO番号 |
役割 |
| FIFO１ |
超音波センサ番号選択用 |
| FIFO２ |
超音波による測定距離データ、エラー値格納用 |
| FIFO３ |
ロータリーエンコーダのカウント値書込用 |
| FIFO４ |
PWMへの速度データの受取用 |
| FIFO５ |
RE,PWMへのSTART、STOP等の各種指令やタスクの優先度、実行周期の受取用 |
各タスク・ドライバの機能
RT-Linuxの操作 RT-Linuxを立ち上げた後、以下のコマンドが使用できる。このコマンドはrootでのみ有効である。
- insmod … モジュールの組み込み
- rmmod … モジュールの削除
- lsmod … 現在組み込まれているモジュールの確認
RT‐Linuxのリアルタイムプログラムはカーネルモードで動く。 カーネルモードとはメモリやデバイスなどが保護されていない状態である。 通常のプログラムはユーザーモードで実行されるため、例えプログラムが暴走しても システムがダウンしないようになっている。しかし、リアルタイムプログラムの メモリ空間は全く保護されておらず、ポインタ操作を誤るとすぐに暴走する。 動作環境として提供されている機能は、最低限のタスクとFIFO、セマフォだけである。 セマフォは複数のプログラム間での同期をとる仕組みである。
しかし、その代償として十分に高速で動作する。
CPUやチップセットにもよるが、10μsのタイマ割り込みですら可能だ。
まとめると
利点:
- カーネル空間でプログラムを作成するため、ハードウェアに自由にアクセスできる。
- 実行の周期を細かく設定できる
- メモリ保護機能がない
- ミスをすれば簡単にシステムが壊れる
また、RT-LinuxのようにLinuxにパッチを当てて実時間処理を可能にしたOSに ART-Linux というものが存在する。こちらはRT-Linuxとは異なり、ユーザー空間でプログラムを実行 するため、メモリが保護されている。従って、システムが壊れる可能性は低いと思われる。
現段階ではMIRSのシステム基本構成がRT-Linuxとなっているので導入できるか不明であり、 ART-Linuxの利点・欠点の調査も不十分である。
| 関連文書 |
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