openEuler Embedded 软实时系统介绍

2022/05/09 20:05
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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.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.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

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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项目地址

https://gitee.com/openeuler/yocto-meta-openeuler

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