如何在嵌入式linux中应用实时性.pdf

实时Linux技术实时实时LinuxLinux技术技术如何在嵌入式如何在嵌入式LINUXLINUX中应用实时特性中应用实时特性主讲：易松华主讲：易松华2实时实时VS 快速：怎样选择？快速：怎样选择？实时操作系统(Real-time OS)分时操作系统（Time-Sharing OS）计算机资源会被平均地分配给系统内所有的工作 区别：是否有“时限(deadline)”实时系统概念 指规定的时限内必须完成规定的操作 并非指速度快慢 硬实时：超过时限完成任务会导致灾难性后果 软实时：超过时限完成对任务会带来系统性能的严重下降 手持设备什么地方需要实时系统？实时系统特点实时系统特点可可接接受受度度负负正正响应时间响应时间硬实时硬实时烤炉温度控制烤炉温度控制响应时间的可接受度响应时间的可接受度两种类型的Real-Time软实时软实时 多任务和任务切换：任务切换时间 内核调度：调度算法 可抢占型内核和不可抢占型内核 优先级反转问题 任务间同步和通信 中断延迟 中断延迟时间：关中断的最长时间+开始执行中断服务程序的时间 中断响应时间：中断延迟时间+操作系统保存现场的时间 中断恢复时间：恢复现场时间+执行中断返回指令的时间 中断处理时间主要实时指标：中断延迟、调度延迟实时系统相关技术和衡量指标7实时 Linux主要依据高优先级的任务先行高优先级的任务先行ALWAYS 所以原则就是:Everything should be pre-emptable Nothing should keep higher priority things from executing实时实时Linux概况概况 双内核方式 实现硬实时 实时内核+标准内核 RTLinux、RTAI和Xenomai等 在主流内核上通过patch增加其实时性 提高软实时内核性能 TimeSys Linux/RT Montavista Linux Ingo Molnars RT patch提高Linux实时性能方法Linux硬实时硬实时RTLinux 硬件实时内核(RT-Linux or RTAI)实时任务1实时任务2实时任务3通用Linux内核Linux进程1Linux进程2用户层内核层Real-time任务不使用LINUX API或资源任何实时任务出问题将导致整个系统崩溃contd.RTLinux contd.XenomaiXenomai 示意图示意图Xenomaicontd.Xenomai SKIN 示意图示意图Xenomai 编程contd.#define ITER 10static RT_TASK t1;static RT_TASK t2;int global=0;void taskOne(void*arg)int i;for(i=0;i ITER;i+)rt_printf(I am taskOne and global=%d.n,+global);void taskTwo(void*arg)int i;for(i=0;i 5000s Quality and Integration 01020304050607080901001101001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0001,000,000,000Pro 5.0Max.Latency26 s2.6.23 kernel.orgMax.Latency4,496 sPro 5.0Kernel.org 2.6.23抢占延迟抢占延迟,专业版 5.0 and 2.6.23 kernel.org(测试条件测试条件：双核 Pentium M,2.0 GHz，加载满负荷负载数据）1030507090110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 310 800 8200,1110100100010000100000100000010000000100000000Preemption latencyFreescale BSP Desktop preemptionFreescale BSP no preemptionMVL RealTime Preemption modelMVL Desktop preemption modelMVL no preemptionPreemption latency(microseconds)SamplesMontaVista 实时性能MPC8349E-mITX Rio GrandeAnomalies impacting predictable deterministic performanceMontaVista Linux Pro 4.0/Freescale Linux 2.6.1331主流内核Linux的实时历史 UNIX=公平公平 用户空间抢占 固定调度延迟-O(1)调度器 Robert Love的内核抢占 Ingo Molnar自愿抢占 RT补丁 Paul McKenney的 RCU 改进 Ingo Molnar新的CFS调度器 Gregory Haskin的 优化调度器改进32 Making Linux Real-time required addressing:Minimized interrupt disable timesBKL still present!Interrupt handling via schedulable threadsNot acceptable to all drivers Fully pre-emptable kernelShort critical sections Perform synchronization via mutexes(not spin locks)Allows involuntary pre-emption Mutex support for priority inheritance /queueing High Resolution timers Minimize number of mutexes/critical sections Optimizing scheduler decisionsNew Scheduler(CFS)in mainline RCU社区实时 Linux情况(总结)Mainline?NOSomeNOPartlyYesSomeSomeYes33社区实时 Linux情况(总结)1)Since kernel 2.6.24 in mainline Linux2)Since kernel 2.6.25 in mainline Linux3)Realtime-Preempt patches 2.6.24.7-rt15 or higher required4)Since kernel 2.6.30 in mainline Linux5)Not yet adapted to generic interrupt code 自愿抢占抢占内核实时Linux抢占示意图可抢占可抢占不可抢占不可抢占无抢占完全抢占实时Linux优先级99985010实时进程非实时进程99 98 0SCHED_NORMALSCHED_FIFOSCHED_FIFOSCHED_RRSCHED_RR动态优先级静态优先级SCHED_FIFO当所有实时进程度运行完毕后才能得到运行实时Linux优先级-分配情况实时Linux-内核驱动 代码的可移植性 在所有对时间不敏感的代码中，开发者应当更倾向于运用high-level锁的API来保证正确地转换到实时锁 在不可被抢占的临界区内，我们用被称为raw_spin_lock的自旋锁代替旧的不可抢占锁，该自旋锁的类型为raw_spinlock_t驱动的 默认编译是完全可被抢占的 内核进程管理 在完全可抢占的实时内核中访问List是受Mutex保护的wake_up,interruptible_sleep 和相关函数不能用于不可中断中（在IRQ 上下文【context】中）死锁检测并提出警告(调度是原子操作)非零preempt_count 当中断被禁止时 互斥锁深层嵌套时候不能用自选锁 通用内核代码之间共享锁 临界区管理实时Linux-内核驱动 在实时可抢占模型中，除了定时器中断，一般中断处理都是创建一个内核线程，并将中断服务函数被指定到该线程上下文 中断服务将被优先级化，且可被抢占 一个新的IRQ标识位IRQF_NODELAY可被用来使你的设备中断按原来的方式运行(IRQ上下文中【context】)系统里面基本限制带IRQF_NODELAY标识位的中断功能函数 Wake_up()在 IRQF_NODELAY中断中执行,需用wake_up_process()代替.不可能再在中断上下文中给mutex上锁，需要用不可抢占的raw_spinlock代替实时Linux-内核驱动实时LINUX应用编程 在项目开发中，工程师需要深入理解的以下内容：内存使用和分配 定时器和信号派发 创建任务/设置策略 在使用PREEMPT_RT特性的实时系统中编程的基本流程：1 启动程序启动程序.2 分配所有应用程序需要用到的资源分配所有应用程序需要用到的资源3 打开所有需要打开的文件，创建所有需要用到的通信打开所有需要打开的文件，创建所有需要用到的通信机制（机制（IPC,信号等）信号等）4 设置调度策略设置调度策略.5 设置优先级设置优先级6 开始执行程序的实时处理开始执行程序的实时处理更多请参考：rt.wiki.kernel.org/index.php/HOWTO:_Build_an_RT-application实时LINUX应用编程(Cont)编写你自己的 Realtime程序#include struct sched_param sched_params;/*Change our priority to as high as possible and use SCHED_FIFO*/sched_params.sched_priority=sched_get_priority_max(SCHED_FIFO);if(0!=sched_setscheduler(getpid(),SCHED_FIFO,&sched_params)printf(sched_setscheduler failed(YOU MUST BE ROOT TO USE THIS)n);exit(1);实时LINUX应用编程(Cont)LTP(Realtime Test Tree)(formerly IBM Test Cases)Cyclictest PI Mutex Test FTQ(Fixed Time Quanta Benchmark)Preemption Test low latency audio/scheduling latency tests/realtime audio ipbench实时LINUX的性能测试44Q&A45