openEuler Embedded軟實時系統(tǒng)的特性說明

本文主要介紹 openEuler Embedded 軟實時系統(tǒng)的特性說明，構(gòu)建方式和性能測試。

軟實時特性介紹

「實時性簡介」

實時的訴求通常是事件的響應(yīng)時間不能超過規(guī)定的期限，一個事件的最大響應(yīng)時間應(yīng)該是確定的、可以預(yù)測的。

「Preempt_RT 補丁簡介」

Preempt_RT 補丁（以下簡稱 RT 補?。┛芍苯哟蛟趦?nèi)核源碼上，并通過內(nèi)核配置選項 CONFIG_PREEMPT_RT=y 使能軟實時功能。RT 補丁實現(xiàn)的核心在于最小化內(nèi)核中不可搶占部分的代碼，從而使高優(yōu)先級任務(wù)就緒時能及時搶占低優(yōu)先級任務(wù)，減少切換時延。除此之外，補丁通過多種降低時延的措施，對鎖、驅(qū)動等模塊也進(jìn)行了優(yōu)化。

openEuler Embedded 版本中可使用的 RT 補丁請參考：

1. QEMU：

?

1. patch-5.10.0-60.10.0-rt62.patch
2. patch-5.10.0-60.10.0-rt62_openeuler_defconfig.patch

?

2. raspberrypi：

?

1. 0000-raspberrypi-kernel.patch（樹莓派補?。?/li>
2. 0001-add-preemptRT-patch.patch
3. 0002-modifty-bcm2711_defconfig-for-rt-rpi-kernel.patch

?

「補丁獲取地址」

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

「補丁關(guān)鍵功能舉例」

1. 增加中斷程序的可搶占性（中斷線程化、軟中斷線程化）
2. 增加臨界區(qū)的可搶占性（如自旋鎖）
3. 增加關(guān)中斷代碼的可搶占性
4. 解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題（優(yōu)先級繼承）

軟實時鏡像構(gòu)建指導(dǎo)

具體下載源碼和編譯流程建議參考容器環(huán)境下的快速構(gòu)建指導(dǎo)：https://openeuler.gitee.io/yocto-meta-openeuler/yocto/quickbuild/container-build.html

「QEMU RT 鏡像構(gòu)建方式」

• 步驟：

下載源碼 --> 修改 bb 文件打入 RT 補丁 --> 手動打開 CONFIG_PREEMPT_RT --> 編譯構(gòu)建

• 更改 aarch64 鏡像內(nèi)核 bb 文件，使其構(gòu)建時自動打入 RT 補丁，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 輸出示例：

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

• 打開 aarch64 鏡像 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 輸出示例：

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

• 編譯時選擇 aarch64-std 架構(gòu)，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

• 構(gòu)建鏡像生成目錄：

  /usr1/build/output/

• 二進(jìn)制介紹：

1. Image-5.10.0：QEMU RT 內(nèi)核鏡像
2. openeuler-image-qemu-aarch64-<時間戳>.rootfs.cpio.gz：QEMU 文件系統(tǒng)
3. openeuler-glibc-x86-64-openeuler-image-aarch64-qemu-aarch64-toolchain-22.03.sh：SDK 工具鏈
4. zImage：QEMU RT 內(nèi)核的壓縮鏡像

「樹莓派 RT 鏡像構(gòu)建方式」

• 步驟：

下載源碼 --> 修改 bb 文件打入 RT 補?。ㄑa丁已自動打開 CONFIG_PREEMPT_RT） --> 編譯構(gòu)建

• 更改 raspberrypi 鏡像內(nèi)核 bb 文件，使其構(gòu)建時自動打入 RT 補丁并打開 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 輸出示例：

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() {

• 編譯時選擇 raspberrypi4-64 架構(gòu)，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

• 構(gòu)建鏡像生成目錄：

  /usr1/build/output/

• 二進(jìn)制介紹：

1. Image：樹莓派 RT 內(nèi)核鏡像
2. openeuler-image-raspberrypi4-64-<時間戳>.rootfs.rpi-sdimg：樹莓派 RT 支持 SD 卡鏡像
3. openeuler-glibc-x86-64-openeuler-image-cortexa72-raspberrypi4-64-toolchain-22.03.sh：SDK 工具鏈

樹莓派 4B 的具體使用方法后期會詳細(xì)介紹。

?

「說明」

• 如果開發(fā)人員使用的內(nèi)核配置不是 RT 補丁中修改的 defconfig（QEMU：arch/arm64/configs/openeuler\_defconfig，樹莓派：arch/arm64/configs/bcm2711\_defconfig），則需要在自己的 defconfig 中開啟內(nèi)核配置選項CONFIG_PREEMPT_RT，例如上面 QEMU 構(gòu)建方式中的 yocto-embedded-tools/config/arm64/defconfig-kernel
• openEuler Embedded 軟實時特性當(dāng)前僅支持 arm64 架構(gòu)

?

驗證環(huán)境的軟實時是否使能

• 查看系統(tǒng)是否有 PREEMPT_RT 字樣：

輸入示例：

uname -a

輸出示例：

Linux openeuler 5.10.0-rt62-v8 #1 SMP PREEMPT_RT Fri Mar 25 0322 UTC 2022 aarch64 GNU/Linux

軟實時性能測試

「軟實時相關(guān)測試」

參考 RT-Tests 指導(dǎo)

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

進(jìn)行軟實時相關(guān)測試，用例包括但不限于：

1. cyclictest 時延性能測試
2. pi_stress 優(yōu)先級繼承測試
3. hackbench 負(fù)載構(gòu)造工具

下面以 cyclictest 時延性能測試為例進(jìn)行說明。

「cyclictest 時延性能測試」

1. 準(zhǔn)備開發(fā)環(huán)境

安裝 SDK，準(zhǔn)備編譯環(huán)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

2. 編譯用例

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

cd rt-tests

git checkout stable/v1.0

make all

3. 執(zhí)行用例

編譯完成后生成二進(jìn)制 cyclictest，傳入單板環(huán)境后可查看執(zhí)行 cyclictest 時可配置的參數(shù)：

./cyclictest --help

cyclictest 有多種參數(shù)配置方法，用例具體的入?yún)⒃O(shè)計可參考 test-design

https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/tools/cyclictest/test-design

輸入示例：

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

輸出示例：

# /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

即用例循環(huán) 1000 萬次后，平均時延為 8us，最壞時延為 16us（該數(shù)據(jù)僅為示例，具體以環(huán)境實測為準(zhǔn)）。

?

「說明：」

如果樹莓派 4B 的空載情況下，平均時延較差（如超過 20us），可查看使用的樹莓派固件是否將 CPU 頻率配置為了節(jié)能模式，并根據(jù)需要將 CPU 頻率配置為最高運行頻率。如無 cpufreq 相關(guān)接口，則不涉及。

?

輸入示例：

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

輸出示例：

powersave

如上結(jié)果表示 CPU 頻率為節(jié)能模式。

配置 CPU 最高運行頻率，輸入示例：

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