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openEuler Embedded 软实时系统介绍

openEuler 2022-05-10
2868

本文主要介绍 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. patch-5.10.0-60.10.0-rt62.patch
  2. patch-5.10.0-60.10.0-rt62_openeuler_defconfig.patch
❞
  1. raspberrypi：
❝
  1. 0000-raspberrypi-kernel.patch（树莓派补丁）
  2. 0001-add-preemptRT-patch.patch
  3. 0002-modifty-bcm2711_defconfig-for-rt-rpi-kernel.patch
❞

「补丁获取地址」

https://gitee.com/src-openeuler/kernel/blob/openEuler-22.03-LTS

「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：https://openeuler.gitee.io/yocto-meta-openeuler/yocto/quickbuild/container-build.html

「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.bbsed -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.bbindex 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-kernelindex 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/scriptssource compile.sh aarch64-std usr1/build usr1/openeuler/gcc/openeuler_gcc_arm64lebitbake 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.bbappendsed -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.bbappendindex 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/scriptssource compile.sh raspberrypi4-64 usr1/build usr1/openeuler/gcc/openeuler_gcc_arm64lebitbake 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 的具体使用方法后期会详细介绍。

❝

「说明」

  • 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
  • openEuler Embedded 软实时特性当前仅支持 arm64 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

https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/tools/rt-tests

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

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.gitcd rt-testsgit checkout stable/v1.0make 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

https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/tools/cyclictest/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）。

❝

「说明：」

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

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