版本 827586c23507c805ba0c71c138b4b4d3531fd2c6

Xenomai

協作者
Real Time 的定義
Real time on Linux
Xenomai系統架構
與PREEMPT_RT的差異
建立 Xenomai 環境
觀察與分析
效能表現
Cyclictest 原理
Q&A
Hackpad
參考資料

協作者

2015 年春季
- 吳哲綱, 曾柏翔, 林展翔, 詹志鴻, 林建慶, 呂鴻
2014 年春季
- 向澐, 林家宏, 呂科進, 趙愷文, 阮志偉, 陳建霖

Real Time 的定義

Soft Real Time

根據 Scheduling 的結果執行任務。
95% Hard Real Time

系統至少有 95% 在指定時間內完成任務。
100% Hard Real Time

系統能 100% 在指定時間內完成任務。
Safe Real Time

系統能 100% 在指定時間內完成任務。

Real time on Linux

PREEMPT_RT (in-kernel; single kernel)

修改原本的 GNU/Linux 核心 (vanilla kernel)，以減少non-preemptible section的方式，使其逐步改善 real-time 能力。
dual kernel (如 RTLinux, RTAI, Xenomai)

運作一個 real-time 核心，然後將修改過的 GNU/Linux 核心程式碼視為該 real-time 核心的 idle task。

在xenomai中，dual kernel 就是 Xenomai 的 Nucleus / Cobalt Core 和 Linux kernel。Xenomai 改變整個系統架構，讓 ipipe -> xenomai scheduler 來預先處理 real-time task，而 Linux 則拉到上層成為一個task。這樣可以避免 Linux 因為龐大的架構而影響處理 real-time 的時間。

Xenomai系統架構

.. image:: /embedded/xenomai/xenomai_arch.jpg

Xenomai是一個linux kernel的patch 藉由在底層增加一個架構負責硬體與接收interrupt 並將interrupt 傳給上層的OS(這邊稱為domain)

這個底層的架構是Adeos 是另一個open source的project

在api呼叫上可以看到不同層級的抽象化

ipipe_XXX -> rthal_XXX -> xnXXX

負責傳送interrupt的程式稱為ipipe 示意圖 http://www.xenomai.org/documentation/xenomai-2.6/html/pictures/life-with-adeos-img4.jpg

.. image:: /embedded/xenomai/adeos.jpg

可以找到ipipe_raise_irq()將interrupt推到pipeline

在ipipe上每個domain都有自己的優先度高優先度的domain會先接收到interrupt 高優先度的domain的thread 可以preempt低優先度domain的thread

Adeos / iPipe ++++++++++++++

主要負責處理irq 與 high resolution timer, ipipe的工作很簡單就是設定timer並將interrupt往上丟

Adeos feature
- event pipeline :
  
  利用pipeline的方式將不同domain的interrupt或system call往上丟
- Optimistic interrupt protection :
  
  當同一個domain在處理interrupt時，有跟她相同domain的interrupt要進來時，會將它進pending狀態，等到所有pending interrupt完成時，才會處理下個domain的interrupt。但更高優先權domain的interrupt會preempt較低優先權domain的interrupt。
- System event propagation :
  
  system event(ex : page fault handle) 傳遞方式不同於interrupt，基本上是不可被stall的。
realtime support to threads running in the secondary domain
- Common priority scheme :
  
  當xenomai task migrates to linux domain時，linux domain會繼承xenomai task的priority。
  
  .. image:: /embedded/xenomai/pirority_scheme.png
- Predictability of program execution times :
  
  當xenomai threads 進入linux(secondary) domain時，不可被linux domain interrupt preempt掉，也不能被其他low priority activity at linux kernel preempt掉。通常最簡單實作方式就是加一個interrupt shield domain。
  
  .. image:: /embedded/xenomai/interrupt_shield.png
- Fine-grained Linux kernel :
  
  In order to get the best from secondary domain,we need the Linux kernel to exhibit the shortest possible nonpreemptible section, so that rescheduling opportunities are taken as soon as possible after a Xenomai thread running in the secondary domain becomes ready to run.
- Priority inversion management :
  
  Both the real-time nucleus and the Linux kernel should handle the case where a high priority thread is kept from running because a low priority one holds a contented resourse for a possibly unbounded amount of time.
相關檔案︰
- gic.c :
  
  Generic Interrupt Controller, Interrupt prioritization and distribution to each CPU interface. This is known as the Distributor. Priority masking and preemption handling for each CPU. This is known as the CPU Interface.
- it8152.c：IRQ相關
- timer-sp.c：dual timer module(sp804)
- vic.c：
  
  The VIC provides a software interface to the interrupt system. In a system with an interrupt controller, software must determine the source that is requesting service and where its service routine is loaded. A VIC does both of these in hardware.
  
  功能為提供一個programable的介面讓使用者設定
- ipipe-tsc.c:設定精準度（刻度）
- ipipe/compat.c:interrupt
- sched/clock.c:取得cpu_clock 解析度為nanosecond,開機後從0開始上數

.. image:: /embedded/xenomai/cpu_distribute.jpg

GIC大約是上圖的distributor的位置

VIC則是CPU interface的位置

但raspberry pi只有一顆CPU所以不會有SMP與 CPU affinity設定的問題

HAL ++++++++++++

Hardware Abstract Layer:process 透過HAL呼叫ipipe的服務。這一層主要是包裝ipipe 與底層資訊讓nucleus可以不用看到硬體資訊。

Nucleus ++++++++++++

Xenomai的kernel, 包含一個scheduler,優先執行real-time tasks.

Scheduler ++++++++++++

優先處理realtime task ,linux也被視為其中一個thread,本身也有scheduler,但須等到沒有real-time task時(idle state),才會執行linux thread

.. image:: /embedded/xenomai/xenomai_sched.jpg

Skins ++++++++++++

呼叫xenomai的界面, 有native rtdm posix等。

與PREEMPT_RT的差異

Linux kernel preemption model 組態 (realtime程度 ↑ => latency↓ but throughput↓)
- PREEMPT_NONE
  
  著重fairness和throughput，process在執行system call時無法被preempt。
- PREEMPT_VOLUNTARY(DESKTOP)
  
  允許一個低優先權的 process把自己 preempt掉(即便該 process正在 kernel mode 執行著一個系統呼叫)
- PREEMPT(Low-Latency Desktop)
- PREEMPT_RT
  
  著重determinism，對即時系統而言，作業系統的「可決定性」比 throughput 更為重要，使用固定優先權的 preemptive 排程策略 (POSIX SCHED_FIFO 與 SCHED_RR)。
PREEMPT_RT 機制
- Preemptible critical sections
- Preemptible interrupt handlers
- Preemptible “interrupt disable” code sequences
- Priority inheritance for in-kernel spinlocks and semaphores
- Deferred operations
- Latency-reduction measures
- Execute all activities (including IRQ) in “schedulable/thread” context
原本無法preempt的地方讓他可以preemt，讓spinlock 區塊在區分成可以preempt的地方跟不能preempt的地方，將IRQ handler移到thread中執行。

Priority inheritance 是讓握有spinlock 或 semaphore的process可以暫時的提高優先權讓他可以盡快做完critical section釋放spinlock或semaphore

高Priority的 process才有辦法繼續執行。
PREEMPT_RT 與 xenomai的差異

RT_PREEMPT是基於linux架構去改進讓更多地方能preempt 達到real-time的能力

Xenomai則是改變整個系統架構新增一個scheduler與IRQ管理的機制

讓處理real-time task流程簡化到只剩ipipe->scheduler 就能執行

不會因linux龐大的架構影響到real-time task的處理時間

建立 Xenomai 環境

下載 Raspbian: http://www.raspberrypi.org/downloads/
- 將raspbian的img檔燒進sd card上

.. code-block:: c

sudo dd if=<raspbian image file> of=/dev/mmcblk0 bs=4M

if 為 input file, of 為 output file, bs為 block size
燒錄詳細介紹: http://life-of-raspberrypi.blogspot.tw/
Install Cross complier

.. code-block:: c

cd <working dir>
wget https://github.com/raspberrypi/tools/archive/master.tar.gz
tar xzfv master.tar.gz

Download kernel

.. code-block:: c

git clone -b rpi-3.8.y –depth 1 git://github.com/raspberrypi/linux.git linux-rpi-3.8.y

Download Xenomai

.. code-block:: c

git clone git://git.xenomai.org/xenomai-head.git xenomai-head

Download minimal config

.. code-block:: c

wget https://www.dropbox.com/s/dcju74md5sz45at/rpi_xenomai_config

Apply ipipe core pre-patch

.. code-block:: c

cd linux-rpi-3.8.y patch -Np1 < ../xenomai-head/ksrc/arch/arm/patches/raspberry/ipipe-core-3.8.13-raspberry-pre-2.patch

Apply Xenomai ipipe core patch

.. code-block:: c

cd ./xenomai-head/scripts/prepare-kernel.sh –arch=arm –linux=linux-rpi-3.8.y –adeos=xenomai-head/ksrc/arch/arm/patches/ipipe-core-3.8.13-arm-4.patch

Apply ipipe core post-patch

.. code-block:: c

cd linux-rpi-3.8.y patch -Np1 < ../xenomai-head/ksrc/arch/arm/patches/raspberry/ipipe-core-3.8.13-raspberry-post-2.patch

Create build directory

.. code-block:: c

cd mkdir linux-rpi-3.8.y/build

Configure kernel

.. code-block:: c

cp rpi_xenomai_config linux-rpi-3.8.y/build/.config cd linux-rpi-3.8.y make mrproper make ARCH=arm O=build oldconfig

Compile Linux Kernel (此步驟耗時長，建議用make -j平行加速)

在作此步驟之前須export library

.. code-block:: c

export PATH=<working dir(full path)>/tools-master/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/:$PATH

.. code-block:: c

make ARCH=arm O=build CROSS_COMPILE=<working dir(full path)>/tools-master/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi-

Install modules

.. code-block:: c

make ARCH=arm O=build INSTALL_MOD_PATH=dist modules_install

Install headers

.. code-block:: c

make ARCH=arm O=build INSTALL_HDR_PATH=dist headers_install
find build/dist/include \( -name .install -o -name ..install.cmd \) -delete

編譯好的kernelImage(/linux-rpi-3.8.y/build/arch/arm/boot/Image),移到SD卡的 /boot/ 路徑下並更改名稱為kernel.img
將linux-rpi-3.8.y/build/dist中的Module,移到SD卡中的/lib/modules
Compile Xenomai

.. code-block:: c

cd xenomai-head export PATH=<working dir(full path)>/tools-master/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/:$PATH ./configure –host=arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi cd src mkdir dist make install DESTDIR=pwd/dist

dist中會出現usr/xenomai, 將這個資料夾移到sd卡中 /usr/
用 minicom 連進 raspberry pi 中執行以下動作

.. code-block:: c

export PATH=/usr/xenomai/bin:$PATH
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/xenomai/lib sudo modprobe xeno_posix

觀察與分析

.. code-block:: prettyprint

 pi@raspberrypi:～$ cat /proc/xenomai/stat
 CPU    PID        MSW                  CSW           PF         STAT            %CPU    NAME
 0      0            0                  206           0          00500080        100.0   ROOT
 0      0            0                  2688553       0          00000000        0.0     IRQ3: [timer]

CPU : 目前這個tread是使用哪個CPU在運行，而rpi是單核心CPU，故顯示皆為0
MSW : Mode SWitches, This value should only increase over time for threads that are expected to interact with Linux services.
- 當process從primary mode轉成secondary mode或是secondary mode轉成primary mode時，將會紀錄一次的轉換。
- cyclictest的RT task因為會執行到memset，所以會從xenomai schedule跳到linux schedule，MSW＋1，而執行完memset後將在跳回xenomai schedule，故再＋1
CSW : Number of Context SWitches (or IRQ hits for the particular CPU)
PF : Number of Page Faults (should stop increasing as soon as mlockall is in effect)
STAT : A bitfield describing the internal state of the thread. Bit values are defined in include/nucleus/thread.h (See status and mode bits). The STAT field from /proc/xenomai/sched gives a 1-letter-per-bit symbolic translation of a the most significant subset of those bits.
%CPU : CPU share of the thread (or IRQ handler) since the last retrieval of the statistics.
NAME : Name of the thread (or IRQ number and registered driver). Can be set, e.g., with the (non portable) POSIX-API-function pthread_set_name_np. See API documentation of the RTOS skin in question.

.. code-block:: prettyprint

 pi@raspberrypi:～$ sudo /usr/xenomai/bin/cyclictest >/dev/null 2>/dev/null &
 [1] 2253

.. code-block:: prettyprint

 pi@raspberrypi:～$ ps aux | grep -i "cy"
 root      2253  0.5  0.3   4580   1464  ?        S    03:34   0:00   sudo /usr/xenomai/bin/cyclictest
 root      2254  2.7  0.4   2340   2132  ?        SLl  03:34   0:00   /usr/xenomai/bin/cyclictest
 pi        2259  0.0  0.1   3540   820   ttyAMA0  S+   03:34   0:00   grep --color=auto -i cy

.. code-block:: prettyprint

 pi@raspberrypi:～$ cat /proc/xenomai/stat
 CPU    PID        MSW                CSW              PF        STAT        %CPU    NAME
 0      0          0                  255              0         00500080    100.0   ROOT
 0      2254       1                  1                0         00b00380    0.0     cyclictest
 0      2256       2                  48               0         00300184    0.0     cyclictest
 0      0          0                  2913946          0         00000000    0.0     IRQ3: [timer]

.. code-block:: prettyprint

 pi@raspberrypi:~$ watch -n 1 cat /proc/xenomai/stat
 Every 1.0s: cat /proc/xenomai/stat                      Wed Jan  8 03:38:43 2014

 CPU    PID        MSW                CSW           PF        STAT         %CPU     NAME
 0      0          0                  442           0         00500080     99.9     ROOT
 0      2254       1                  1             0         00b00380     0.0      cyclictest
 0      2256       2                  235           0         00300184     0.0      cyclictest
 0      0          0                  2953543       0         00000000     0.1      IRQ3: [timer]

在這邊可以看到cyclictest有兩個pid，因為/usr/xenomai/bin/cyclictest它會先創一個thread，並讓這個thread跑nanosleep，所以會有兩個process。接著看向CSW，pid 2254的cyclictest, 他的CSW只有1。pid 2256的卻有235，這是因為2256是一個xenomai realtime task，而 2254是一個 linux的process，所以2256會優先執行，直到realtime task都做完才會換low priority的linux domain process取得CPU，因此2254的CSW值才會是1而沒有增加。

.. code-block:: prettyprint

 pi@raspberrypi:~$ sudo kill 2254

 pi@raspberrypi:~$ ps aux | grep -i "cy"
 pi        2324  0.0  0.1   3540   820 ttyAMA0  R+   03:46   0:00 grep --color=auto -i cy
 [1]+  Done                    sudo /usr/xenomai/bin/cyclictest > /dev/null 2> /dev/null

 pi@raspberrypi:~$ sudo /usr/xenomai/bin/cyclictest -p FIFO >/dev/null 2>/dev/null &

在我們了解MSW時，嘗試了在-p後面加上了文字(如：FIFO、RR……)
發現MSV的值開始往上增加，也發現一開始對於MSW的定義理解錯誤

.. code-block:: prettyprint

  CPU    PID        MSW                CSW                PF         STAT          %CPU     NAME
  0      0          0                  75266              0          00500080      99.9     ROOT
  0      2978       1                  1                  0          00b00380      0.0      cyclictest
  0      2980       2                  26846              0          00300184      0.0      cyclictest
  0      7559       1                  1                  0          00b00380      0.0      cyclictest
  0      7561       66                 130                0          00b00184      0.0      cyclictest
  0      0          0                  11266931           0          00000000      0.1      IRQ3: [timer]

trace後才了解，這是xenomai在-p的指令上是使用atoi，將輸入的數字轉為int，但並沒有進行偵錯，才導致segment fault，而需跳轉到linux domain進行除錯。

效能表現

Stock Linux

.. code-block:: prettyprint

cyclictest -p 90 - m -c 0 -i 200 -n -h 100 -q -l 1000 >log

.. image:: /embedded/xenomai/001.png

PREEMPT_RT-patched Linux

.. code-block:: prettyprint

cyclictest -p 90 - m -c 0 -i 200 -n -h 100 -q -l 1000 >log

.. image:: /embedded/xenomai/preemptRt.png

Xenomai-patched Linux

.. code-block:: prettyprint

/usr/xenomai/bin/cyclictest -p 90 - m -c 0 -i 200 -n -v 100 -q -l 100" >log

.. image:: /embedded/xenomai/002.png

Cyclictest 原理

概念:設定一個時間間隔->取得現在時間->讓process 睡一個間隔->process醒來後再取一次時間->比對兩次取得的時間差與設定的間隔差距
pseudocode:

.. code-block:: prettyprint

clock_gettime((&now)) next = now + par->interval while (!shutdown) { clock_nanosleep((&next)) clock_gettime((&now)) diff = calcdiff(now, next) # update stat-> min, max, total latency, cycles # update the histogram data next += interval }
造成時間差的原因
- timer精準度
- IRQ latency
- IRQ handler duration
- scheduler latency
- scheduler duration
Cyclictest 實作流程

1.cyclictest建立一個timerthread, 它一個 realtime 的 thread

2.timerthread會重複的執行取第一次時間 nanosleep(interval) 取第二次時間比對兩次時間差與interval的差異

3.最後將結果輸出在terminal
Clock_nanosleep 的 timer

clock_nanosleep 使用的timer 是 high resolution timer(HRT) ,讓睡眠時間可以更精確,達到nanosecond的精準度（但還是要看硬體能提供的精準度)

因為能在更準確得時間讓process醒來並取的nanoscecond單位的時間所以可以計算到由systick無法計算到的duration + latency
Clock_nanosleep 實作流程

1.使用 spinlock (xnlock_get_irqsave) 令 CPU 不接受 Interrupt

2.使用 xnpod_suspend_thread 改變目前 thread 的狀態

3.使用 xntimer_get_timeout_stopped 取得 tick

4.使用 ticks2ts 轉換時間單位

.. code-block:: prettyprint

 int clock_nanosleep (clockid_t clock_id, int flags, const struct timespec *rqtp, struct timespec *rmtp)
 {
    xnthread_t *cur;
    spl_t s;
    int err = 0;

    if (xnpod_unblockable_p())
        return EPERM;

    if (clock_id != CLOCK_MONOTONIC && clock_id != CLOCK_REALTIME)
        return ENOTSUP;

    if ((unsigned long)rqtp->tv_nsec >= ONE_BILLION)
        return EINVAL;

    if (flags & ~TIMER_ABSTIME)
        return EINVAL;

    cur = xnpod_current_thread();

    xnlock_get_irqsave(&nklock, s); 

    thread_cancellation_point(cur);

    xnpod_suspend_thread(cur, XNDELAY, ts2ticks_ceil(rqtp) + 1,clock_flag(flags, clock_id), NULL);

    thread_cancellation_point(cur);

    if (xnthread_test_info(cur, XNBREAK)) {

        if (flags == 0 && rmtp) {
            xnsticks_t rem;

            rem = xntimer_get_timeout_stopped(&cur->rtimer);
            xnlock_put_irqrestore(&nklock, s); 

            ticks2ts(rmtp, rem > 1 ? rem : 0); 
        } else
            xnlock_put_irqrestore(&nklock, s); 

        return EINTR;
    } 

    xnlock_put_irqrestore(&nklock, s);

    return err; 
 }

Cyclictest<https://rt.wiki.kernel.org/index.php/Cyclictest>_
Test case: POSIX interval timer, Interval 500 micro seconds,. 100000 loops, 100% load.
- Commandline: cyclictest -t1 -p 80 -i 500 -l 100000
使用 PREEMPT LINUX

.. code-block:: prettyprint

root@raspberrypi:/home/pi# sudo ./cyclictest -t1 -p 80 -i 500 -l 100000
# /dev/cpu_dma_latency set to 0us
policy: fifo: loadavg: 0.00 0.01 0.05 1/61 2064          
T: 0 ( 2063) P:80 I:500 C: 100000 Min:     27 Act:   49 Avg:   42 Max:    1060

使用 RT-PREEMPT

.. code-block:: prettyprint

Linux raspberrypi 3.6.11+ #474 PREEMPT Thu Jun 13 17:14:42 BST 2013 armv6l GNU/Linux
Min:     22 Act:   31 Avg:   32 Max:     169

使用 Xenomai

.. code-block:: prettyprint

Linux raspberrypi 3.8.13-core+ #1 Thu Feb 27 03:02:16 CST 2014 armv6l GNU/Linux
Min:      1 Act:    5 Avg:    6 Max:      41

.. code-block:: prettyprint

root@raspberrypi:/home/pi# /usr/xenomai/bin/cyclictest -t1 -p 80 -i 500 -l 10000 
0.08 0.06 0.05 1/61 2060          
T: 0 ( 2060) P:80 I:     500 C:  100000 Min:      -4 Act:      -2 Avg:       0 Max:      30

T:thread

P:priority

I:interval

C:執行cycle數

Min:最小延遲

Act:此次延遲時間

Avg:平均延遲

Max:最大延遲

最重要的是Max值為了確保realtime 要能知道worst case

讓開發者可以評估最差的情況可以在多少時間內可以做出回應

Q&A

Q1:handler duration 與 schedule latency 之間的延遲原因為何?
- A:
.. image:: /embedded/xenomai/tasklatency.jpg

Hackpad

討論＆紀錄 https://embedded2014.hackpad.com/Xenomai-raspberry-note-XwJtuQn9nkD
整理 https://embedded2014.hackpad.com/Xenomai-z2CJPjPLTer
2015 hackpad:https://embedded2015.hackpad.com/Xenomai-LydARMEzEWP#:h=Cobalt

參考資料

https://code.google.com/p/picnc/wiki/RPiXenomaiKernel
https://code.google.com/p/picnc/wiki/CreateRaspbianLinuxCNC
http://www.camelsoftware.com/firetail/blog/raspberry-pi/real-time-operating-systems/
Quadruped Linux robot feels its way over obstacles<http://linuxgizmos.com/hyq-quadruped-robot-runs-real-time-linux/>_
Choosing between Xenomai and Linux for real-time applications<https://www.osadl.org/fileadmin/dam/rtlws/12/Brown.pdf>_
Real Time Systems<http://www.slideshare.net/anil_pugalia/real-time-systems>_
http://www.cs.ru.nl/lab/xenomai/exercises/
背景知識 <https://www.osadl.org/fileadmin/dam/rtlws/12/Brown.pdf>_
應用案例 <http://veter-project.blogspot.tw/search/label/xenomai>_
應用案例II <https://www.youtube.com/watch?v=cNZPRsrwumQ>_
real-time Linux 介紹 <http://class.svuca.edu/~sau/class/CE460/IntroEmbeddedLinuxDesign_Spring2014_Sec_13.ppt>_
Xenomai 專案維護人的介紹 <http://elinux.org/images/7/70/Gerum-elce-09.odp>_
RTOS 定義 <http://open-robotics.com/report/rtos/>_