软实时系统介绍

本章主要介绍openEuler Embedded软实时系统的特性说明,构建方式和性能测试。

软实时特性介绍

实时性简介

实时的诉求通常是事件的响应时间不能超过规定的期限,一个事件的最大响应时间应该是确定的、可以预测的。

PREEMPT_RT补丁简介

PREEMPT_RT补丁(以下简称RT补丁)可直接打在内核源码上,并通过内核配置选项 CONFIG_PREEMPT_RT=y 使能软实时功能。RT补丁实现的核心在于最小化内核中不可抢占部分的代码,从而使高优先级任务就绪时能及时抢占低优先级任务,减少切换时延。除此之外,补丁通过多种降低时延的措施,对锁、驱动等模块也进行了优化。

openEuler Embedded版本中可使用的RT补丁请参考:

  1. qemu:

  1. raspberrypi:

补丁关键功能举例

  1. 增加中断程序的可抢占性(中断线程化、软中断线程化)

  2. 增加临界区的可抢占性(如自旋锁)

  3. 增加关中断代码的可抢占性

  4. 解决优先级反转问题(优先级继承)

软实时镜像构建指导

具体下载源码和编译流程建议参考:容器环境下的快速构建指导

22.09版本构建方式

对于22.09版本,构建RT镜像可以使用 oe_helper.sh ,示例如下:

# 进入构建脚本所在路径
$ cd /usr1/openeuler/src/yocto-meta-openeuler/scripts/

# 通过 oe_helper.sh 进行构建
$ source oe_helper.sh
Invalid input.
Usage:
download mode: source oe_helper.sh [-D] [-d DOWNLOAD_DIR] <-b BRANCH> <-m MANIFEST_FILE>
compile mode: source oe_helper.sh [-C] [-p PLATFORM] [-o BUILD_DIR] <-t TOOLCHAIN_DIR>  <-i INIT_MANAGER> <--enable-rt>
  [] -- need   <> -- Optional
-------------------------------------------------------
  -h                show this help and exit.
  -D                download mode:
  -d DOWNLOAD_DIR   [top/directory/to/put/your/code]
  -b BRANCH         [branch]
  -m MANIFEST_FILE  <manifest file path>
  -C                compile mode:
  -p PLATFORM       Supportted PLATFORM
                         aarch64-std
                         aarch64-pro
                         arm-std
                         x86-64-std
                         raspberrypi4-64
                         riscv64-std
  -o BUILD_DIR      Build dir:
                    <above dir of yocto-meta-openeuler >/build (defaut)
  -t TOOLCHAIN_DIR  External toolchain dir(absoulte path):
                        /usr1/openeuler/gcc/openeuler_gcc_arm64le (arm64 default)
                        /usr1/openeuler/gcc/openeuler_gcc_arm32le (arm32 default)
                        /usr1/openeuler/gcc/openeuler_gcc_x86_64 (x86_64 default)
  -i INIT_MANAGER   INIT_MANAGER suooprt:
                        busybox (defaut)
                        systemd
  --enable-rt       Enable PREEMPT_RT kernel

# 根据提示,-p 指定编译的目标镜像,并开启 --enable-rt 选项:
# 构建树莓派的RT镜像:
$ source oe_helper.sh -C -p raspberrypi4-64 -o /usr1/build --enable-rt

# 构建qemu RT镜像:
$ source oe_helper.sh -C -p aarch64-std -o /usr1/build --enable-rt

22.03版本构建方式

qemu RT镜像构建方式

  • 步骤:

下载源码 –> 修改bb文件打入RT补丁 –> 手动打开CONFIG_PREEMPT_RT –> 编译构建

  • 更改aarch64镜像内核bb文件,使其构建时自动打入RT补丁,示例:

cd /usr1/openeuler/src/yocto-meta-openeuler/meta-openeuler/recipes-kernel/linux/

sed -i '/0001-arm64-add-zImage/a\    file://src-kernel-5.10/patch-5.10.0-60.10.0-rt62.patch \\' linux-openeuler.bb

sed -i '/patch-5.10.0-60.10.0-rt62.patch/a\    file://src-kernel-5.10/patch-5.10.0-60.10.0-rt62_openeuler_defconfig.patch \\' linux-openeuler.bb

git diff 输出示例:

diff --git a/meta-openeuler/recipes-kernel/linux/linux-openeuler.bb b/meta-openeuler/recipes-kernel/linux/linux-openeuler.bb
index 77d8717..5a4b2b8 100644
--- a/meta-openeuler/recipes-kernel/linux/linux-openeuler.bb
+++ b/meta-openeuler/recipes-kernel/linux/linux-openeuler.bb
@@ -11,6 +11,8 @@ SRC_URI = "file://kernel-5.10 \
 # add patches only for aarch64
 SRC_URI_append_aarch64 += " \
     file://yocto-embedded-tools/patches/${ARCH}/0001-arm64-add-zImage-support-for-arm64.patch \
+    file://src-kernel-5.10/patch-5.10.0-60.10.0-rt62.patch \
+    file://src-kernel-5.10/patch-5.10.0-60.10.0-rt62_openeuler_defconfig.patch \
 "

 # add patches for OPENEULER_PLATFROM such as aarch64-pro
  • 打开aarch64镜像defconfig中的CONFIG_PREEMPT_RT,示例:

cd /usr1/openeuler/src/yocto-embedded-tools/config/arm64/

sed -i 's/CONFIG_PREEMPT=y/CONFIG_PREEMPT_RT=y/g' defconfig-kernel

git diff 输出示例:

diff --git a/config/arm64/defconfig-kernel b/config/arm64/defconfig-kernel
index dece4f7..c4ef7ab 100644
--- a/config/arm64/defconfig-kernel
+++ b/config/arm64/defconfig-kernel
@@ -80,7 +80,7 @@ CONFIG_HIGH_RES_TIMERS=y

 # CONFIG_PREEMPT_NONE is not set
 # CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY is not set
-CONFIG_PREEMPT=y
+CONFIG_PREEMPT_RT=y
 CONFIG_PREEMPT_COUNT=y
 CONFIG_PREEMPTION=y
  • 编译时选择 aarch64-std 架构,示例:

cd /usr1/openeuler/src/yocto-meta-openeuler/scripts

source compile.sh aarch64-std /usr1/build /usr1/openeuler/gcc/openeuler_gcc_arm64le

bitbake openeuler-image
  • 构建镜像生成目录:

    /usr1/build/output/

  • 二进制介绍:

    1. Image-5.10.0: qemu RT内核镜像

    2. openeuler-image-qemu-aarch64-<时间戳>.rootfs.cpio.gz:qemu文件系统

    3. openeuler-glibc-x86-64-openeuler-image-aarch64-qemu-aarch64-toolchain-22.03.sh: sdk工具链

    4. zImage: qemu RT内核的压缩镜像

树莓派RT镜像构建方式

  • 步骤:

下载源码 –> 修改bb文件打入RT补丁(补丁已自动打开CONFIG_PREEMPT_RT) –> 编译构建

  • 更改raspberrypi镜像内核bb文件,使其构建时自动打入RT补丁并打开CONFIG_PREEMPT_RT,示例:

cd /usr1/openeuler/src/yocto-meta-openeuler/bsp/meta-openeuler-bsp/raspberrypi/recipes-kernel/linux/

sed -i '/0000-raspberrypi-kernel.patch/a\    file://src-kernel-5.10/0001-add-preemptRT-patch.patch \\' linux-openeuler.bbappend

sed -i '/0001-add-preemptRT-patch.patch/a\    file://src-kernel-5.10/0002-modifty-bcm2711_defconfig-for-rt-rpi-kernel.patch \\' linux-openeuler.bbappend

git diff 输出示例:

diff --git a/bsp/meta-openeuler-bsp/raspberrypi/recipes-kernel/linux/linux-openeuler.bbappend b/bsp/meta-openeuler-bsp/raspberrypi/recipes-kernel/linux/linux-openeuler.bbappend
index ad6ebab..cf52b3d 100644
--- a/bsp/meta-openeuler-bsp/raspberrypi/recipes-kernel/linux/linux-openeuler.bbappend
+++ b/bsp/meta-openeuler-bsp/raspberrypi/recipes-kernel/linux/linux-openeuler.bbappend
@@ -1,5 +1,7 @@
 SRC_URI += "\
     file://src-kernel-5.10/0000-raspberrypi-kernel.patch \
+    file://src-kernel-5.10/0001-add-preemptRT-patch.patch \
+    file://src-kernel-5.10/0002-modifty-bcm2711_defconfig-for-rt-rpi-kernel.patch \
 "
 OPENEULER_KERNEL_CONFIG = "${S}/arch/${ARCH}/configs/bcm2711_defconfig"
 do_configure_prepend() {
  • 编译时选择 raspberrypi4-64 架构,示例:

cd /usr1/openeuler/src/yocto-meta-openeuler/scripts

source compile.sh raspberrypi4-64 /usr1/build /usr1/openeuler/gcc/openeuler_gcc_arm64le

bitbake openeuler-image
  • 构建镜像生成目录:

    /usr1/build/output/

  • 二进制介绍:

    1. Image: 树莓派RT内核镜像

    2. openeuler-image-raspberrypi4-64-<时间戳>.rootfs.rpi-sdimg:树莓派RT支持SD卡镜像

    3. openeuler-glibc-x86-64-openeuler-image-cortexa72-raspberrypi4-64-toolchain-22.03.sh: sdk工具链

树莓派4B的具体使用方法请参考:树莓派4B的支持

注解

  1. 如果开发人员使用的内核配置不是RT补丁中修改的defconfig(qemu:arch/arm64/configs/openeuler_defconfig,树莓派:arch/arm64/configs/bcm2711_defconfig),则需要在自己的defconfig中开启内核配置选项 CONFIG_PREEMPT_RT,例如上面qemu构建方式中的 yocto-embedded-tools/config/arm64/defconfig-kernel

  2. openEuler Embedded 软实时特性当前不支持 arm 架构

验证环境的软实时是否使能

  • 查看系统是否有PREEMPT_RT字样:

    输入示例:

    uname -a
    

    输出示例:

    Linux openeuler 5.10.0-rt62-v8 #1 SMP PREEMPT_RT Fri Mar 25 03:58:22 UTC 2022 aarch64 GNU/Linux
    

软实时性能测试

软实时相关测试

参考 RT-Tests 指导 进行软实时相关测试,用例包括但不限于:

  1. cyclictest 时延性能测试

  2. pi_stress 优先级继承测试

  3. hackbench 负载构造工具

下面以cyclictest 时延性能测试为例进行说明。

cyclictest 时延性能测试

  1. 准备开发环境

参考 安装SDK,准备编译环境,示例:

sh openeuler-glibc-x86_64-openeuler-image-aarch64-qemu-aarch64-toolchain-22.03.sh

. /path/to/sdk/environment-setup-aarch64-openeuler-linux
  1. 编译用例

git clone https://git.kernel.org/pub/scm/utils/rt-tests/rt-tests.git

cd rt-tests

git checkout stable/v1.0

make all
  1. 执行用例

编译完成后生成二进制 cyclictest,传入单板环境后可查看执行cyclictest时可配置的参数:

./cyclictest --help

cyclictest有多种参数配置方法,用例具体的入参设计可参考:test-design

输入示例:

./cyclictest -p 90 -m -i 100 -n -h 100 -l 10000000

输出示例:

# /dev/cpu_dma_latency set to 0us
policy: fifo: loadavg: 2.32 1.99 1.58 1/95 311

T: 0 (  311) P:90 I:100 C:10000000 Min:      7 Act:    9 Avg:    8 Max:      16

即用例循环1000万次后,平均时延为8us,最坏时延为16us(该数据仅为示例,具体以环境实测为准)。

注意

如果树莓派4B的空载情况下,平均时延较差(如超过20us),可查看使用的树莓派固件是否将CPU频率配置为了节能模式,并根据需要将CPU频率配置为最高运行频率。如无cpufreq相关接口,则不涉及。

输入示例:

cat /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor

输出示例:

powersave

如上结果表示CPU频率为节能模式。

配置CPU最高运行频率,输入示例:

echo performance > /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor