Xenomai
協作者
- 2016 年春季
- 2015 年春季
- 吳哲綱, 曾柏翔, 林展翔, 詹志鴻, 林建慶, 呂鴻, 楊于進
- 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
一個real time的系統需要保證其工作在給定的時間限制內完成(稱為deadline)。 系統不需要以最快的速度(real fast)完成任務，但需要時常或每次皆在deadline之內完成。
在這個前提下，real time系統的任務完成時間是可確定的(deterministic)。 而根據系統的限制不同，real time可分為：
Soft Real Time
系統不一定每次皆需要遵守deadline，但較多的deadline miss會導致服務品質降低。
Hard Real Time
系統能每次皆能在deadline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
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 :
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
Xenomai 3
xenomai3有兩種configuration：
Cobalt: 採用dual kernel架構，是xenomai 2的延伸
Mercury: 使用單kernel形式，在linux kernel上提供xenomai api，由於本身依賴linux，一般來說會以PREEMPT_RT提供real-time services
Xenomai 3 dual kernal configuration : Cobalt
多一個 priority 比 linux 還高叫 cobalt 的 core 去處理 real-time 的事情，提供不同的 real-time API 給不同的 applications 使用。並且利用Optimistic interrupt protection 機制減少 changing the interrupt mask，一般的機制在每次進入critical section時都要interrupt mask，而Optimistic interrupt protection可以不用。而real-time 在意的 “deadline”，實際上就是探討 latency (latency 越大，系統越難在時限內完成完成高優先權任務，自然即時能力就越差)，而 latency 很大的來源則是 interrupt handling。
Xenomai 3 single kernel configuration :Mercury
運用本機的 linux core 在 PREEMPT_RT之上達到 real-time 的事情，這裡不是強制的，看 applications 對反應時間和 maximum jitter 的要求，有些甚至會作到某種程度 deadline 的忽略。
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。
Optimistic v.s Original :
Original case:
Optimistic case:
從前兩張圖可看出一般的機制在每次進入critical section時都要interrupt mask，而Optimistic interrupt protection可以不用，所以在interrupt management的時間差很多。而real-time 在意的 “deadline”，實際上就是探討 latency (latency 越大，系統越難在時限內完成完成高優先權任務，自然即時能力就越差)，而 latency 很大的來源則是 interrupt handling。
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。
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。
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(舊版) -> irq-gic.c(新版) :
Generic Interrupt Controller(GIC)為ARM架構中負責分配interrupt至cpu的裝置。此檔案實作gic功能的界面，包含init、mask、產生軟體interrupt、end of interrupt、取得資訊等。內容除了gic register操作外，也包含了spin locks。
it8152.c：提供ITE8152 (PCI Bridge)的支援。目前該硬體已經停止生產 。
timer-sp.c：ARM Dual-Timer Module (SP804)的界面。SP804提供兩個32/64bit count down counter，並提供timer interrupt。
vic.c -> irq-vic.c：
提供Vectored Interrupt Controller(VIC)的界面。VIC主要存在於armv6或以前的架構中，提供priority、IRQ vector等功能，但並不支援SMP。在armv7之後的架構中，其漸漸被NVIC(Cortex-M)與GIC(Cortex-R/A)取代。
ipipe-tsc.c -> ipipe_tsc.c：Time Stamp Counter的界面，提供自reset起cycle數的計算。
ipipe/compat.c：與I-pipe legacy interface相關。
sched/clock.c：取得cpu_clock 解析度為nanosecond，開機後從0開始上數。在新版(3.18)ipipe中，此檔案並無修改。
GIC大約是上圖的distributor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
檔案位置在 : xenomai-head/ksrc/arch/arm/hal.c (xenomai 2.6)
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 / Cobalt
檔案位置在 : xenomai-head/ksrc/nucleus (xenomai 2.6) ; xenomai-head/kernel/cobalt (xenomai 3)
Xenomai的kernel, 包含schedule、timer、synch、thread、lock等等一般該有的RTOS功能，負責real-time tasks的執行。
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
就檔案有五個關於sched.c應該有四種不同的schedule方式
sched-idle.c :是專門處理idle狀態給linux schedule使用
sched-rt.c : 給real-time scheduler使用(FIFO+RR)
sched-sporadic.c : POSIX SCHED_SPORADIC scheduling class.
sched-tp.c : Temporal partitioning (typical of IMA systems)
sched.c : 應該是負責四個schedule方式的檔案
Skins
檔案位置在xenomai-head/ksrc/skins (xenomai 2.6)
呼叫xenomai的界面, 有native rtdm posix psos+ uitron vrtx vxworks等。
Xenomai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
使用的硬體規格
Raspberry pi
Beaglebone
詳細規格,腳位圖,及GPIO
- https://hackpad.com/Raspberry-pi-beaglebone-xvENpXJvKIF#:h=GPIO
Raspberry Pi 3
- A 1.2GHz 64-bit quad-core ARMv8 CPU
- With embedded bluetooth chip and wifi chip
- 802.11n Wireless LAN
- Bluetooth 4.1
- Bluetooth Low Energy (BLE)
建立 Xenomai 環境
Xenomai 2.6 on raspberry pi
- 下載 Raspbian: http://www.raspberrypi.org/downloads/
- 將raspbian的img檔燒進sd card上
sudo dd if=<raspbian image file> of=/dev/mmcblk0 bs=4Mif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
cd <working dir>
wget https://github.com/raspberrypi/tools/archive/master.tar.gz
tar xzfv master.tar.gz- Download kernel
git clone -b rpi-3.8.y --depth 1 git://github.com/raspberrypi/linux.git linux-rpi-3.8.y- Download Xenomai
git clone git://git.xenomai.org/xenomai-head.git xenomai-head- Download minimal config
wget https://www.dropbox.com/s/dcju74md5sz45at/rpi_xenomai_config- Apply ipipe core pre-patch
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
cd <working dir>
./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
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
cd <working dir>
mkdir linux-rpi-3.8.y/build- Configure kernel
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
export PATH=<working dir(full path)>/tools-master/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/:$PATH
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
make ARCH=arm O=build INSTALL_MOD_PATH=dist modules_install- Install headers
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/modulesCompile Xenomai
cd xenomai-head
export PATH=<working dir(full path)>/tools-master/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/:$PATH
./configure --host=arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi
cd src
mkdir dist
make install DESTDIR=`pwd`/distdist中會出現
usr/xenomai, 將這個資料夾移到sd卡中/usr/用 minicom 連進 raspberry pi 中執行以下動作
export PATH=/usr/xenomai/bin:$PATH
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/xenomai/lib
sudo modprobe xeno_posixXenomai 3 on raspberry pi
- 取得 xenomai 3.0-rc、rpi-linux 3.18.y、ipipe 3.18.12 arm patch、toolchain
git clone -b rpi-3.18.y git://github.com/raspberrypi/linux.git rpi-linux
git clone -b v3.0-rc4 git://git.xenomai.org/xenomai-3.git xenomai-3
wget http://download.gna.org/adeos/patches/v3.x/arm/ipipe-core-3.18.12-arm-1.patch
git clone https://github.com/raspberrypi/tools.git --depth=1- checkout rpi-linux至3.18.12
git checkout c963de6d8caec6278c0dde76831f9fdab5bace52
git checkout -b 3.18.12- 由此處取得rpi post patch
- 上 ipipe patch
cd rpi-linux
../xenomai-3/scripts/prepare-kernel.sh --arch=arm --ipipe=<你的patch位置>/ipipe-core-3.18.12-arm-1.patch --linux=.- ipipe post patch (註：pre patch為解決ipipe patch衝突之用，此處無衝突故不需要)
patch -Np1 < <你的patch位置>/3.18.12-xenomai3-temp.patch- configure kernel(使用rpi提供的default)
export CCPI=($working_dir)/tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin/arm-linux-gnueabihf-
mkdir build
make mrproper
make ARCH=arm O=build CROSS_COMPILE=$CCPI bcmrpi_defconfig
make ARCH=arm O=build CROSS_COMPILE=$CCPI menuconfig若patch正確，會在設定表裡看到xenomai相關選項。
使用manuconfig或編輯build/.config，找到CONFIG_CPU_FREQ , CONFIG_CPU_IDLE , CONFIG_KGDB , CONFIG_CONTEXT_TRACKING_FORCE(若有的話)設為n。
- compile kernel
make -j 5 ARCH=arm O=build CROSS_COMPILE=$CCPI- 安裝kernel modules
make ARCH=arm O=build INSTALL_MOD_PATH=dist modules_install- 安裝headers
make ARCH=arm O=build INSTALL_HDR_PATH=dist headers_install- xenomai
cd ../xenomai-3
mkdir dist
export PATH=/home/erickitten/workspace/xenomai/pi/tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin/:$PATH- 設定bootstrap
./scripts/bootstrap --with-core=cobalt –enable-debug=partial- configure
./configure CFLAGS="-mcpu=arm1176jzf-s -mfpu=vfp -mfloat-abi=hard" LDFLAGS="-mcpu=arm1176jzf-s -mfpu=vfp -mfloat-abi=hard" --host=arm-linux-gnueabihf --with-core=cobalt- install
make DESTDIR=`pwd`/dist install- 複製kernel
將linux-rpi/build/arch/arm/boot/Image複製到SD卡的/boot (partition)，並改名成kernel.img。或使用config.txt，以kernel=指定名稱。
- 移動module / patches (權限問題，需使用sudo)
cd ..
sudo cp -r rpi-linux/build/dist/lib/modules $(sdcard)/lib
sudo cp -r xenomai-3/dist/usr/xenomai $(sdcard)/usrBeaglebone Black 環境設置
使用舊版linux(Angstrom)來做測試，核心編譯步驟參考上面步驟 或 http://elinux.org/EBC_Installing_Kernel_Source
- 下載Kernel Source & 編譯
host$ git clone git://github.com/RobertCNelson/bb-kernel.git
host$ cd bb-kernel
host$ git tag (This shows what versions can be checked out.)
host$ git checkout 3.8.13-bone67 -b 3.8.13-bone67- 預設username/password
host$ ./build_kernel.sh
username:root- 設定cross compile
在Kernel Configuration中選擇General setup，輸入
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-- 安裝必要套件
sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential device-tree-compiler fakeroot lzma lzop u-boot-tools libncurses5-dev:amd64 libc6:i386 libncurses5:i386 libstdc++6:i386 zlib1g:i386完成上述步驟後即可上電,按 boot select button 讓它從 sd card 開機，開機後進入登入畫面，帳號/密碼寫在上面
登入後查詢版本
sudo su
uname -aXenomai 2.6 on Beaglebone
Kernel裝好後,測試可以成功從 SD 卡開機,接著更換換 Kernel
參考資料 http://elinux.org/EBC_Xenomai 與 http://emplearn.blogspot.tw/search?q=xenomai
- 設定路徑
mkdir bbb
cd bbb
export BBB=$(pwd)- 取得xenomai-2.6.4 (與 beaglebone-kernel 同一層目錄)
wget http://download.gna.org/xenomai/stable/latest/xenomai-2.6.4.tar.bz2- 檢查版本
cd bb-kernel/KERNEL
uname -a
git tags | sort | less- 選擇跟所編譯 Kernel 最接近版本，在此為 3.8.13
git checkout 3.8.13-bone67 -b xenomai- Patch the kernel
cd bb-kernel/KERNEL
patch -p1 < ../../xenomai-2.6.4/ksrc/arch/arm/patches/beaglebone/ipipe-core-3.8.13-beaglebone-pre.patch
patch -p1 < ../../xenomai-2.6.4/ksrc/arch/arm/patches/ipipe-core-3.8.13-arm-4.patch
patch -p1 < ../../xenomai-2.6.4/ksrc/arch/arm/patches/beaglebone/ipipe-core-3.8.13-beaglebone-post.patch- Prepare the kernel
cd ../../xenomai-2.6.4/scripts
./prepare-kernel.sh --arch=arm --linux=../../bb-kernel/KERNEL/- Prepare the kernel
cd ../../bb-kernel- 確認已經關掉AUTO_BUILD
vi system.sh- 確認最後一行為
#AUTO_BUILD=1關掉 CPU Power Management —> CPU Frequency scaling中的 [ ] CPU Frequency scaling.
將Real-time sub-system —> Drivers —> Testing drivers中的選項全部打開
cd ../../bb-kernel/KERNEL
make ARCH=arm menuconfig- 再重新編譯
make -j8 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- LOADADDR=0x80008000 uImage dtbs modules- 編譯完後將 SD 卡內的 Kernel 換掉
mkdir sd掛載 sd 卡
確認掛載的目錄內一定要有這些路徑
sudo mount /dev/mmcblk0p1 sd
sudo cp beagle-kernel/kernel/arch/arm/boot/uImage sd/boot/uImage-3.8.13
cd beagle-kernel/kernel
sudo make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- INSTALL_MOD_PATH=$BBB/sd modules_install
cd -
mkdir sd/home/root/xeno_drivers
cp beagle-kernel/kernel/drivers/xenomai/testing/*.ko sd/home/root/xeno_drivers/
cp -r xenomai-2.6.3 sd/home/root
./configure --target=arm-linux-gnueabi
mkdir -p dist; make DESTDIR=`pwd`/dist install- 將編譯後dist內的內容複製放到beaglebone上
sudo umount sd- 測試,掛載driver
cd ~/xeno_drivers
insmod xeno_klat.ko
/usr/xenomai/bin/cyclictest -p 90Xenomai 3 on Beaglebone Black
- 先下載 linux kernel:
- 參考資料 : http://elinux.org/EBC_Installing_Kernel_Source
git clone git://github.com/RobertCNelson/bb-kernel.git cd bb-kernel git tag (This shows what versions can be checked out.) git checkout 3.18-rc7 -b 3.18-rc7 ./build_kernel.sh - Prepare the kernel
cd ../../xenomai-2.6.4/scripts
./prepare-kernel.sh --arch=arm --linux=../../bb-kernel/KERNEL/- Compile Kernel
cd ../../bb-kernel- 確認狀態，關掉休眠
- 關掉 CPU Power Management —> CPU Frequency scaling中的 [ ] CPU Frequency scaling.
- 將Real-time sub-system —> Drivers —> Testing drivers中的選項全部打開
make ARCH=arm menuconfig- 再重新編譯
make -j 8 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- LOADADDR=0x80008000 uImage dtbs modules- 把 SD card format 並 燒錄 debian (要進入 root 模式)
sudo mkfs -t ext4 /dev/mmcblk0
sudo xz -dkc bone-debian-7.5-2014-05-14-2gb.img.xz > /dev/mmcblk0把dtb file (or dts) and zImage 換掉，把 zImage 放入到 SD card 內 就可以成功開機了!
然後去下載 Xenomai3.git
- 參考資料 :http://git.xenomai.org/xenomai-3.git
wget http://git.xenomai.org/xenomai-3.git/snapshot/xenomai-3-3.0-rc4.tar.bz2 tar jxvf xenomai-3-3.0-rc4.tar.bz2 wget http://download.gna.org/adeos/patches/v3.x/arm/ipipe-core-3.18.12-arm-1.patch //載 ipipe patch cd bb-kernel/KERNEL patch -p1 < ../../ipipe-core-3.18.12-arm-1.patchCompile Xenomai 3
cd xenomai-3-3.0-rc4
mkdir dist
export PATH=/home/neal/Xenomai/tool-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin/:$PATH
./scripts/bootstrap --with-core=cobalt –enable-debug=partial
./configure CFLAGS="-march=armv7-a -mtune=cortex-a8 -mfloat-abi=hard -mfpu=neon -ffast-math" --host=arm-linux-gnueabihf --target=arm-linux-gnueabihf
mkdir -p dist; make DESTDIR=`pwd`/dist installdist中會出現usr/xenomai, 將這個資料夾移到sd卡中 /usr/
Install module :
cd bb-kernel/KERNEL
mkdir dist
sudo make ARCH=arm INSTALL_MOD_PATH=dist modules_install- 把 modules 移到 SD card /lib/modules 內
sudo cp -rp dist/lib/modules/3.18.0-rc7+/ /media/neal/rootfs/lib/modules/- 即可成功 run xenomai 3 的 內建執行檔.
- ex : sudo /usr/xenomai/bin/arm-linux-gnueabihf-latency
Xenomai 3 on Raspberry Pi 3
linux 核心部份
- 下載 raspberrypi linux kernel source
$ git clone https://github.com/raspberrypi/linux.git
$ git checkout rpi-4.1.y為了配合xenomai最新版本只支援linux kernel 4.1- 下載 xenomai3 source
$ git clone http://git.xenomai.org/xenomai-3.git/
$ git checkout v3.0.24.1.18的patch檔只有3.0.2之後才有- 下載 xenomai3 on bcm2709 patch
$ wget http://wiki.csie.ncku.edu.tw/_showraw/patch-xenomai-3-on-bcm-2709.patch- Patch Xenomai 到 Linux kernel 中
$ cd xenomai-3
$ scripts/prepare-kernel.sh --linux=../linux/ --ipipe=kernel/cobalt/arch/arm/patches/ipipe-core-4.1.18-arm-4.patch --arch=arm- 打入xenomai3 on bcm2709 patch
$ cd linux
$ cat ../patch-xenomai-3-on-bcm-2709.patch | patch -p1- 修改linux組態
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2709_defconfig
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig修改下列組態([ ]為不選，[X]為選取)： CPU Power Management --->
CPU Frequency scaling --->
[ ] CPU Frequency scaling
CPU idle --->
[ ] CPU idle PM support
Kernel Features --->
[ ] Contiguous Memory Allocator
[ ] Allow for memory compaction
Kernel Hacking --->
[ ] KGDB: kernel debugger
Boot options --->
Kernel command line type --->
[X] Extend bootloader kernel arguments- 開始編譯核心
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage modules dtbs使用 -jx 來建立x個thread平行編譯- 輸出編譯完的模組
$ mkdir dist
$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- INSTALL_MOD_PATH=dist modules_install- 複製 zImage 及 device tree 至 SD 卡上
$ cp arch/arm/boot/zImage /media/${USER}/boot
$ cp arch/arm/boot/dts/bcm2710-rpi-3-b.dtb /media/${USER}/boot
$ rm -rf /media/${USER}/boot/overlays/*
$ cp arch/arm/boot/dts/overlays/*.dtb* /media/${USER}/boot/overlays/- 複製模組至 SD 卡上
# sudo cp -r linux/dist/lib/modules/* /media/${USER}/${ROOTFS}/lib/modules- 修改 /boot/config.txt 內文最後加上
kernel=${zImage name}
device_tree=bcm2710-rpi-3-b.dtbXenomai cobalt 核心部份
- cobalt kernel 參數設定
$ cd xenomai-3
$ ./scripts/bootstrap --with-core=cobalt –enable-debug=partial
$ ./configure CFLAGS="-march=armv7-a -mtune=cortex-a8 -mfloat-abi=hard -mfpu=neon -ffast-math" --host=arm-linux-gnueabihf --target=arm-linux-gnueabihf --enable-smp- 編譯
$ make DESTDIR=${PWD}/target install- 放入 SD 卡中
$ sudo cp -a target/* /media/${USER}/${ROOTFS}/All Done！！觀察與分析
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.
pi@raspberrypi:～$ sudo /usr/xenomai/bin/cyclictest >/dev/null 2>/dev/null &
[1] 2253 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 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] 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。
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
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
cyclictest -p 90 - m -c 0 -i 200 -n -h 100 -q -l 1000 >log
- PREEMPT_RT-patched Linux
cyclictest -p 90 - m -c 0 -i 200 -n -h 100 -q -l 1000 >log
- Xenomai-patched Linux
/usr/xenomai/bin/cyclictest -p 90 - m -c 0 -i 200 -n -v 100 -q -l 100" >log
User,kernal,timer IRQ 在R-pi上使用Xenomai 2.6與Xenomai 3.0之比較圖
- Xenomai 3.0
- Xenomai 2.6
User,kernal,timer IRQ 在Beaglebone上使用Xenomai 2.6與Xenomai 3.0之比較圖
- Xenomai 3.0
- Xenomai 2.6
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:
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
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; }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
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
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
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 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: 30T: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
比較Cyclictest 於使用 PREEMPT LINUX,RT-PREEMPT以及Xenomai
- 使用R-pi model B+ , Xenoami 2.6.4
- 實驗數據 | Kernel Type | Max latency(µs) | |:—————-|:—————-| | Linux preempt | 271 | | Full preempt_rt | 96 | | Xenomai 2.6.4 | 38 |
示波器 實驗
試著撰寫driver驅動板子,進而使用示波器測試latency,驗證在不同因素之下造成不同的 max latency
Source code
https://github.com/jacky6016/GPIO-test
https://github.com/erickitten/GPIO_test_xenomai3_2
實驗數據
| Driver model | max latency(µs) |
|---|---|
| rpi xenomai-2 RTDM | 4.71 |
| beaglebone xenomai-2 RTDM | 7.46 |
| rpi xenomai-3 RTDM | 7.022 |
| rpi xenomai-2 linux native | 10.92 |
| rpi xenomai-2 user-level(python) | 244 |
展示
在 RPi B+ 上結合 Xenomai 3 的成果：CNC 繪圖機
Q&A
Q1:handler duration 與 schedule latency 之間的延遲原因為何?
- A:
Q2:ipipe的效益為何?為什麼要切割damain?切割完要如何確保real-time的穩定速度?
- A:
ipipe的主要效益是用來切割domain，讓real-time和linux interrupt可以在不同domain下進行運作。
切割domain原因是因為real-time domain的優先序是最高的，當有real-time interrupt進來，就會直接進入real-time domain去執 行，不會在經過整個linux的複雜架構下進行preempt的動作，可確保real-time 能在短時間內進行處理。
Q3:ipipe/Adeos理論基礎中的Fine-grained是什麼?
- A:
在life with andeos這篇指的fine-grained linux kernel，是指在編寫linux kernel code時，盡量讓critical section能愈短愈好，確保當real-time thread running in the secondary domain能在一定時間內遇到schedule point，也就可以在schedule point處理real-time thread。
Q4:ipipe的相關檔案，gic.c、it8152.c … 之類的有什麼關係?
- A:
Q5:請解釋下圖
A:
GIC:Generic Interrupt Controller(GIC)是arm用來集中分配interrupt至cpu的裝置。它主要分為distributor與cpu interfaces.
distributor:負責分配interrupts，紀錄執行狀態，並提供registers以決定每個interrupt的enable、priority level、target processor。每個interrupt會有固定的interrupt ID，以供接收的cpu辨認。
cpu interface:向cpu傳送interrupt request，並提供distributor接收(acknowledge)interrupt、完成interrupt等訊息;它也提供決定priority mask、preemption policy的registers。
當啟動時，cpu interface會收到priority最高的pending interrupt，並決定它是否有足夠的priority被此cpu執行(參考mask、running interrupt、preemption)，若是則signal cpu。cpu讀取interface的register(GICC_HPPIR)以接收interrupt，此讀取會得到interrupt ID，當接收後 distributor會改變狀態(由pending->active(and pending));完成之後，cpu寫入register以示意interrupt已經完成。
Interrupt types:
Private Peripheral Interrupt (PPI) ID：16-31
每個cpu各自獨立的硬體interrupt。
Shared Peripheral Interrupt (SPI) ID：32~1019
外部硬體interrupt。
Software-generated interrupt (SGI) ID：0~15
軟體interrupt，由一個cpu發出，可指定至一個或多個cpu,cpu以寫入GICD_SGIR的方式產生SGI,其中PPI與SGI是N-N model,每個cpu的interrupt狀態各自獨立；SPI是1-N model，一旦其中一個目標cpu接受，interrupt即視為已處理。
Q6:Xenimai2與Xenomai3架構圖
- A:
Q7:要如何知道每個CPU上跑哪一個task? SMP是如何排程?
A:
對CPU來講 thread, process都是程式(program)，一如作業系統，CPU只是在其間跳來跳去;有一個 load balancer 會定期得去處理 Processor 間的 Balance 會將 loading 較重的 Processor 內的工作移到 Loading 較輕的 Processor 上去執行，其中會用到 Processor 間的 interrupt 這種 interrupt 叫 IPI (inter-processor interrupt)
- inter-processor interrupt (IPI):
IPI is a special type of interrupt by which one processor may interrupt another processor in a multiprocessor system if the interrupting processor requires action from the other processor.
- PPI :
An interrupt generated by a peripheral.
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參考資料
- Life with Adeos
- Fast Interrupt Priority Management in Operating System Kernel
- 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
- Choosing between Xenomai and Linux for real-time applications
- Real Time Systems
- http://www.cs.ru.nl/lab/xenomai/exercises/
- 背景知識
- 應用案例
- 應用案例II
- real-time Linux 介紹
- Xenomai 專案維護人的介紹
- RTOS 定義
