王 煜，林 滸，陶耀東，鄭一麟

(1.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100049;2.中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所，沈陽 110168)

0 引言

隨著數(shù)控加工精度不斷提高，對數(shù)控系統(tǒng)軟件的可靠性要求不斷加強(qiáng)，這就要求必須對數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部執(zhí)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，將數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的各種信息發(fā)送給界面實(shí)時(shí)顯示，對發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤做出及時(shí)響應(yīng)。

數(shù)控系統(tǒng)一般主要包含四個(gè)主要模塊，人機(jī)接口(HMI)、運(yùn)動模塊(MOTION)、可編程邏輯模塊(PLC)和任務(wù)模塊(TASK)。HMI 運(yùn)行在用戶空間，而其他模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間，這些模塊之間利用共享內(nèi)存?zhèn)鬏斝枰拿?、狀態(tài)和錯(cuò)誤信息。

本文通過對RTAI 提供的共享內(nèi)存機(jī)制研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種高效的共享內(nèi)存管理機(jī)制，減少系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用次數(shù)，提高了RTAI 的共享內(nèi)存分配和釋放速率，將其應(yīng)用于現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性。

1 RTAI 共享內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

RTAI 是Linux 操作系統(tǒng)的一種實(shí)時(shí)擴(kuò)展，它通過設(shè)置保留一塊物理內(nèi)存，并將其映射到使用的進(jìn)程地址空間，用來提供共享內(nèi)存機(jī)制可用于內(nèi)核和用戶空間的通信，維護(hù)了內(nèi)核和用戶所申請內(nèi)存的空間映射。在RTAI 中，rtai_kmalloc 是從內(nèi)核空間分配共享內(nèi)存的接口函數(shù)，rtai_malloc 是從用戶空間分配共享內(nèi)存的接口函數(shù)。rtai_kmalloc 從內(nèi)核申請小于KMALLOC_LIMIT(128K)的空間使用系統(tǒng)內(nèi)核函數(shù)kmalloc 分配共享內(nèi)存空間，大于KMALLOC_LIMIT 使用內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)__get_free_pages 分配空間。rtai_malloc 從用戶空間申請時(shí)，直接使用系統(tǒng)函數(shù)vmalloc 分配。無論從內(nèi)核或者是用戶分配完，都要設(shè)置頁面保留位，標(biāo)識出該頁不被置換出。對于已經(jīng)被分配的，則函數(shù)查找維護(hù)的全局變量，將共享內(nèi)存地址返回［1］。

共享內(nèi)存機(jī)制也存在不足，其自身不能實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程的讀寫同步，需要應(yīng)用程序自己解決復(fù)雜的同步互斥問題［2］。同時(shí)，每次新申請內(nèi)存空間都要通過系統(tǒng)調(diào)用，這樣所需要的頁表分配的開銷比較大，同時(shí)增加了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

為解決同步互斥和多次系統(tǒng)調(diào)用的問題，本文研究并實(shí)現(xiàn)一個(gè)共享內(nèi)存管理層，完成對共享內(nèi)存的高效管理。

2 共享內(nèi)存管理層設(shè)計(jì)

該層的設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)共享內(nèi)存的管理器，用戶不再使用由RTAI 提供的共享內(nèi)存接口函數(shù)，而使用由該層實(shí)現(xiàn)的接口函數(shù)。主要包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共享內(nèi)存的分配算法設(shè)計(jì)和釋放算法設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)共享內(nèi)存塊的相關(guān)屬性，從以下五個(gè)方面的數(shù)據(jù)特性考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì):

(1)共享內(nèi)存塊的性質(zhì)，模塊主要有兩種，內(nèi)核模塊或者是用戶模塊，申請共享內(nèi)存空間的模塊選擇涉及到實(shí)際分配所使用的RTAI 函數(shù)。

(2)共享內(nèi)存塊的并發(fā)訪問，不同的模塊對一塊數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問，保證各個(gè)部分對同一個(gè)數(shù)據(jù)的一致性訪問?？刹捎没コ饬?，來保證同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程來訪問一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，防止產(chǎn)生臟數(shù)據(jù)。若對訪問的數(shù)據(jù)不是嚴(yán)格要求，可以使訪問的進(jìn)程獲取上次產(chǎn)生的舊數(shù)據(jù)，不必忙等，減少系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，增加系統(tǒng)的吞吐率。

(3)共享內(nèi)存塊的分配和訪問效率。確定共享內(nèi)存分配的大小，以及維護(hù)內(nèi)存塊的個(gè)數(shù)，不使用某一塊，將占用計(jì)數(shù)減一，為零時(shí)并不立即釋放，只是標(biāo)明未使用，再次申請使用只用占用計(jì)數(shù)加一，就可繼續(xù)使用，減少系統(tǒng)函數(shù)的反復(fù)調(diào)用，增加整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，增加共享內(nèi)存池的概念，它是已經(jīng)由底層分配函數(shù)分配成功的大塊的共享內(nèi)存，當(dāng)上層若要申請的共享內(nèi)存大小小于該內(nèi)存池的大小，則直接從中分配空間給用戶。同時(shí)也要維護(hù)共享內(nèi)存塊的鏈表，在釋放的時(shí)候能將合適的塊合并。

(4)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。利于系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以便于對當(dāng)前系統(tǒng)的性能分析和問題排查。同時(shí)也是最終是否能夠釋放共享內(nèi)存的標(biāo)志。

(5)共享內(nèi)存塊標(biāo)識。唯一的確定一塊內(nèi)存，在內(nèi)核空間和用戶空間維護(hù)共享內(nèi)存塊地址與使用者之間的映射。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

主要使用共享內(nèi)存池和共享內(nèi)存塊這兩種結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)管理層的設(shè)計(jì)。

共享內(nèi)存池:由共享內(nèi)存層利用系統(tǒng)分配函數(shù)分配的大塊共享內(nèi)存，使用雙向循環(huán)鏈表連接，由共享內(nèi)存層負(fù)責(zé)地址映射。若存在的內(nèi)存池空間不能滿足需要，內(nèi)存池可再利用底層系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行分配;共享內(nèi)存池的可用空間大小是指被申請使用的共享內(nèi)存塊使用余下的可被再分配的空間，同時(shí)考慮到邊界對齊;使用互斥量來保證對內(nèi)存的并發(fā)訪問。

共享內(nèi)存塊:在已存在的內(nèi)存池里分配的用戶申請的內(nèi)存空間，采用雙向循環(huán)鏈表連接，存在空閑鏈表，是被用戶釋放的，但并沒有被共享管理層實(shí)際釋放，只是置位該塊可以繼續(xù)使用，同時(shí)要考慮相鄰空閑塊的合并，和非空閑的共享內(nèi)存塊鏈表。

為了保證共享內(nèi)存塊的分配效率，共享內(nèi)存管理層要維護(hù)一定數(shù)量的空閑內(nèi)存池，使得系統(tǒng)免于重復(fù)的內(nèi)存分配和釋放，該數(shù)量的設(shè)置要考慮到系統(tǒng)的負(fù)載，可由實(shí)際系統(tǒng)需要設(shè)置。

整個(gè)數(shù)據(jù)模型如圖1 所示。

圖1 共享內(nèi)存管理層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型

2.3 分配算法設(shè)計(jì)

2.3.1 共享內(nèi)存池分配算法

共享內(nèi)存空間的實(shí)際分配，在內(nèi)核空間利用底層共享內(nèi)存接口函數(shù)rtai_kmalloc 分配共享內(nèi)存，在用戶空間使用rtai_malloc。

2.3.2 共享內(nèi)存塊分配算法

首先，在共享內(nèi)存標(biāo)識符表中，查找是否已經(jīng)分配了申請字符串名的共享內(nèi)存，若已經(jīng)分配，修改相應(yīng)計(jì)數(shù)并返回地址;否則，采用首次適配算法，首先在第一個(gè)共享內(nèi)存池的空閑鏈表中，查看是否有符合要求的內(nèi)存塊，若有直接將占用計(jì)數(shù)加一，同時(shí)加入到非空閑鏈表的合適位置。否則，依次查看存在的共享內(nèi)存池，從共享內(nèi)存池的可用空間判斷是否符合用戶要求，若符合，從中減去用戶申請的大小，注意字節(jié)對齊，并同時(shí)加入到非空閑內(nèi)存塊鏈表的合適位置，返回地址。若不符合，則重新申請一個(gè)符合大小規(guī)則的新的共享內(nèi)存池，分配適合用戶使用的內(nèi)存塊，同時(shí)加入到非空閑塊鏈表的合適位置，按照可用空閑塊地址將內(nèi)存池插入到合適的位置，返回地址，見圖2。

2.4 釋放算法設(shè)計(jì)

2.4.1 共享內(nèi)存池釋放算法

共享內(nèi)存池的釋放是共享內(nèi)存空間的實(shí)際釋放，如果當(dāng)前使用計(jì)數(shù)為0，在內(nèi)核空間利用底層共享內(nèi)存接口函數(shù)rtai_kfree，在用戶空間利用底層共享內(nèi)存接口函數(shù)rtai_free。

2.4.2 共享內(nèi)存塊釋放算法

利用共享內(nèi)存標(biāo)示符表查找此名標(biāo)示的共享內(nèi)存塊，若找到，將共享內(nèi)存塊的占用計(jì)數(shù)減一，若未找到，則說明未分配共享內(nèi)存，失敗返回，為零放入到合適的空閑塊鏈表，若有相鄰的空閑塊，將其連成一個(gè)連續(xù)的空閑塊，放入合適的位置，否則，直接返回。若空閑塊地址與內(nèi)存池可用地址鄰接，將其歸還給共享內(nèi)存池。最后，清除共享內(nèi)存標(biāo)示符表保存的名和地址的映射，見圖3。

圖2 共享內(nèi)存塊分配算法流程圖

圖3 共享內(nèi)存塊釋放算法

2.5 關(guān)鍵API 設(shè)計(jì)

void * get_shmem_addr(char * name，unsigned int size)，獲得大小為size，指針名為name 的共享內(nèi)存地址。

int free_shmem_addr(char * name)，釋放指針名為name 的共享內(nèi)存。

void * _get_shmem_addr(unsigned int size)，實(shí)際進(jìn)行共享內(nèi)存分配。

shmem_block * find_with_name(const char *name)，查找是否已經(jīng)存在name 指向的字符串名的共享內(nèi)存。

int get_shmem_pool(int pol)，獲得一個(gè)共享內(nèi)存池。

int free_shmem_pool(shmem_pool * p)，釋放內(nèi)存池分配的共享內(nèi)存空間。

shmem_block* get_shmem_block(unsigned int size，module_type mod)，獲取一個(gè)size 大小，性質(zhì)為mod 的內(nèi)存塊。

int free_shmem_block(shmem_block * b)，將內(nèi)存塊釋放，就是將它放入空閑塊鏈表里

shmem_block* search_in_shmem_pool(shmem_pool * p，unsigned int size)，在空閑塊鏈表里面查找是否有合適的空閑塊

int insert_shmem_block_into_pool(shmem_block* b，shmem_pool* p)，將分配好的內(nèi)存塊插入到內(nèi)存池的內(nèi)存塊鏈表里。

int insert_free_shmem_block_into_pool(shmem_block* b，shmem_pool* p)，將空閑塊插入到內(nèi)存池的空閑塊鏈表里

int free_shmem_pool_block(shmem_pool* p)，將和內(nèi)存池可用空間地址毗鄰的空閑內(nèi)存塊返回給內(nèi)存池。

void * get_addr_shmem_block(shmem_block *b)，獲取共享塊所指向的地址。

void init_shmem_block(shmem_block * b，unsigned int size，module_type mod，unsigned int pol)，初始化內(nèi)存塊。

shmem_block* alloc_shmem_block_from_pool(shmem_pool * p，unsigned int size)，從合適的內(nèi)存池里分配內(nèi)存塊。

API 接口調(diào)用如下圖4 和圖5 所示。

圖4 分配過程API 調(diào)用

3 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

硬件平臺為龍芯CPU，主頻800MHZ，內(nèi)存256M，軟件環(huán)境為linux2.4 操作系統(tǒng)，RTAI-24.1.13實(shí)時(shí)擴(kuò)展。整個(gè)共享內(nèi)存管理層使用C 語言實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的移植性。

實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)方法，利用MIPS 體系結(jié)構(gòu)的協(xié)處理器0(Coprocessor 0)的count(9)寄存器［8］。在分配之前獲取時(shí)間戳t1，在分配之后獲取時(shí)間戳t2，兩者之差就是所需要的時(shí)間Δt。

圖5 釋放過程API 調(diào)用

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖6 和圖7 所示。

圖6 rtai 和shmem 分配和釋放4 字節(jié)的時(shí)間

圖7 rtai 和shmem 分配和釋放400 字節(jié)的時(shí)間

由圖6 和圖7 可知，利用shmem 共享內(nèi)存管理，能夠有效的減少共享內(nèi)存的分配時(shí)間和釋放時(shí)間。

4 結(jié)束語

共享內(nèi)存在需要內(nèi)核和用戶空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，有較高的靈活性，所以在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，因此提高共享內(nèi)存的管理效率對各種使用共享內(nèi)存的應(yīng)用具有很重要的意義。本文采用兩級數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，能夠有效的分配和釋放共享內(nèi)存，使用C語言實(shí)現(xiàn)的該共享內(nèi)存管理層具有很好的可移植性，能夠有效的減少共享內(nèi)存分配和釋放時(shí)間，同時(shí)互斥量的使用也能保證共享內(nèi)存的并發(fā)訪問。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本設(shè)計(jì)優(yōu)化了RTAI 共享內(nèi)存管理的相關(guān)功能，提高了數(shù)控系統(tǒng)的工作效率。

［1］RTAI documentation，available from:https://www. rtai.org/documentation/magma/html/api/

［2］高甜容，于東，等. 數(shù)控系統(tǒng)中模塊間通信方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 計(jì)算機(jī)工程，2010，36(12):238－241.

［3］Mauerer W. Professional Linux Kernel Architecture［M］.［S. l.］:John Wiley ＆ Sons Inc.，2008.

［4］Yu Dong，Hu Yi，Huang Yan，et al. An Open CNC System Based on Component Technology［J］. IEEE，2009，6(2):302－311.

［5］Scott S，Christos D A，Dimitrios S N. Scalable Locality-conscious Multithreaded Memory Allocation［C］. ACM，2006:84－94.

［6］魯比尼(Rubini，A.)，等，著，魏永明，等，譯. LINUX 設(shè)備驅(qū)動程序［M］. 北京:中國電力出版社，2002.

［7］魏海濤，姜昱明，李建武，等. 內(nèi)存管理機(jī)制的高效實(shí)現(xiàn)研究［J］. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(16):3708－3712.

［8］吳文江，秦承剛，陶耀東. 基于MIPS 處理器和RTAI 的數(shù)控系統(tǒng)中調(diào)度抖動的研究［J］. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2010(7):1342－1345.