實時系統(tǒng)Preempt-RT與Xenomai之爭！誰更主流，誰更實時

版權(quán)聲明：本文主要內(nèi)容基于“北京盟通科技有限公司”授權(quán)提供的文件，由“創(chuàng)龍科技”進(jìn)行整理得出。感謝“盟通科技”的慷慨支持，讓更多人了解Linux系統(tǒng)的“實時拓展”選擇知識。

選擇爭論一直存在

大家知道EtherCAT是實時現(xiàn)場總線技術(shù)，當(dāng)我們開發(fā)一款支持EtherCAT總線的控制器時，實時操作系統(tǒng)的選擇不僅對于產(chǎn)品本身是最重要的一部分，而且對產(chǎn)品研發(fā)的整個過程也影響深遠(yuǎn)。

根據(jù)EtherCAT主站提供商Acontis公司對全球新客戶的情況統(tǒng)計，選擇實時Linux系統(tǒng)的客戶比重在過去10年逐年增加，Acontis公司2019年所有新客戶中采用實時Linux作為控制器操作系統(tǒng)的比例已超過60%。

從近幾年的經(jīng)驗中，我們注意到一些客戶對實時性的理解存在偏差和誤區(qū)。此外，對于實時Linux系統(tǒng)的選擇，主要是采用Preempt RT還是Xenomai存在大量爭論。結(jié)合我們在以往項目中的經(jīng)驗以及實時Linux系統(tǒng)專家Jan Altenberg 2015年在Embedded Linux會議上的講演，我們整理出此文。希望可以幫助大家理解實時性，同時對在Preempt RT和Xenomai之間做出合適的選擇提供參考。

什么是“實時性”

我們在和客戶的交流中注意到，部分工程師會把實時性與執(zhí)行速度或性能相混淆。Altenberg在講演中特別強調(diào)：實時性與執(zhí)行速度和性能無關(guān)！

無論是實時操作系統(tǒng)還是實時現(xiàn)場總線，實時性的含義不是越快越好，而是在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)的確定性(Determinism and Timing Guarantees)。如果我們給實時性下定義，那么實時性就是關(guān)于時間的確定性。

實時性的一個重要特點，是在規(guī)定的時間段內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)。在技術(shù)討論中，有時客戶對EtherCAT協(xié)議不存在對錯誤數(shù)據(jù)自動重傳的機制有疑問，很顯然是忽略了實時性的這一特性。EtherCAT主站的工作原理，是按時間段（循環(huán)周期）發(fā)送數(shù)據(jù)。每個循環(huán)周期內(nèi)的過程數(shù)據(jù)(Process Data)，只在這個周期內(nèi)到達(dá)從站才有意義，因此EtherCAT在協(xié)議層面不會自動在后續(xù)周期重新發(fā)送之前周期發(fā)送失敗的過程數(shù)據(jù)。

在Embedded Linux會議講演中，Altenberg還表述了一個很有趣的觀點，他希望大家忘掉“軟實時”（即Soft Real Time的提法），只存在實時和非實時的、確定性和非確定性的區(qū)別。能保證確定性，那就是“硬實時”(Hard Real Time)。

Xenomai和Preempt RT實現(xiàn)原理

目前，對實時Linux方案的選擇主要在Xenomai和Preempt RT之間。Xenomai是在Linux Kernel外增加獨立的微內(nèi)核的雙內(nèi)核方案，而Preempt RT是標(biāo)準(zhǔn)的單內(nèi)核實時方案。

Xenomai的實時應(yīng)用運行在微內(nèi)核中，而把Linux系統(tǒng)作為微內(nèi)核的一個低優(yōu)先級任務(wù)。與RTAI不同，Xenomai實時性在用戶空間實現(xiàn)。當(dāng)高優(yōu)先級的實時應(yīng)用程序不在微內(nèi)核運行時，Linux才有可能獲得運行時間。下圖是以Xenomai為代表的雙內(nèi)核方案的原理圖。

圖 1Xenomai雙內(nèi)核方案原理圖

Altenberg認(rèn)為雙內(nèi)核實時方案有幾個明顯不足。首先，維護工作量大。由于Linux不是直接在硬件上運行，因此Xenomai在維護微內(nèi)核的同時還需要維護硬件抽象層HAL層，這導(dǎo)致Xenomai的更新速度通常會比主線Linux落后一步。其次，不能使用標(biāo)準(zhǔn)C庫。Xenomai實時應(yīng)用的開發(fā)需要特殊的工具和庫以及單獨的API。

主流的實時Linux方案是基于Preempt RT的單內(nèi)核方案，通過最大限度地提高Linux內(nèi)核中的可搶占部分，使Linux本身具備實時性。下圖為Premept RT單內(nèi)核原理圖。

圖 2Preempt RT單內(nèi)核方案原理圖

由于大約80%的Preempt RT功能已經(jīng)融合進(jìn)Linux主線，因此任何Linux開發(fā)者都可以使用Preempt RT的Linux內(nèi)核組件。Preempt RT不僅僅把Linux變成實時系統(tǒng)，同時提高了Linux的穩(wěn)定性。Preempt RT被廣泛接受并擁有龐大的社區(qū)，開發(fā)者不需要深入了解Preempt RT，而是使用標(biāo)準(zhǔn)C庫開發(fā)實時應(yīng)用。開發(fā)者不需要深入了解Preempt RT，而是使用標(biāo)準(zhǔn)C庫開發(fā)實時應(yīng)用。Preempt RT就是Linux系統(tǒng)，Preempt RT的實時應(yīng)用也是Linux的應(yīng)用。

隨著剩下的20%功能逐漸融入Linux主線，未來有可能不需要在Linux安裝補丁程序而直接使用Preempt RT。

Xenomai和Preempt RT性能對比

實時性能最重要的指標(biāo)是延時的大小。網(wǎng)上有不少流傳很廣的文章，表示Xenomai在延遲方面有優(yōu)勢。Altenberg并不認(rèn)同這種觀點，他認(rèn)為之所以得出這樣的結(jié)論，是對Preempt RT的錯誤配置造成的。

為了確切證實，他們的團隊分別找了Xenomai和Preempt RT專家，在相同的硬件平臺上進(jìn)行了測試。測試對象是高負(fù)載下Xenomai和Preempt RT在延時Latency和抖動Jitter兩個方面的表現(xiàn)情況。

Altenberg強調(diào)了兩點，第一是測試的最壞結(jié)果才有意義。另外一點是系統(tǒng)拿到中斷后，在用戶空間的應(yīng)用響應(yīng)延時是對應(yīng)用最有意義的。

在用戶空間的測試結(jié)果，Xenomai和Preempt RT最壞延時都在90-95微秒左右。當(dāng)在Linux系統(tǒng)中只使用單核測試時，Preempt RT最壞的延時只有大約80微秒，結(jié)果優(yōu)于Xenomai。

在Kernel空間延時的測試結(jié)果，Xenomai最高延時在30微秒，單核運行Preempt RT的最高延時60微秒。如果使用FIQ快速中斷的話，Preempt RT的最壞延時也可達(dá)到30微秒，平均延時甚至到達(dá)10微秒。

專家觀點

盟通指出：測試表明，對于開發(fā)人員最有意義的用戶空間內(nèi)最壞延時方面，兩種實時方案在該性能指標(biāo)上展示出近乎相同的數(shù)據(jù)。

但是Preempt RT幾乎已經(jīng)和Linux內(nèi)核主線合并，從系統(tǒng)的開發(fā)和維護角度，Preempt RT的工作量與標(biāo)準(zhǔn)Linux相同。這使Preempt RT與Xenomai相比具備更多優(yōu)勢，例如工程師開發(fā)更簡單、產(chǎn)品生命周期更長、系統(tǒng)維護工作更容易等。

實時系統(tǒng)工業(yè)平臺，盡在創(chuàng)龍科技

創(chuàng)龍科技很多ARM嵌入式處理器平臺已支持Preempt RT與Xenomai實時拓展，主要平臺如下。更多型號或細(xì)節(jié)內(nèi)容，歡迎與我們聯(lián)系。

圖 3創(chuàng)龍科技Linux實時系統(tǒng)平臺支持列舉


審核編輯 黃宇