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2025年Xneomai 简介

科技前沿 • • 阅读 25

Xneomai 简介https blog csdn net changexhao article details Real Time 的定義 一個 real time 的系統需要保證其工作在給定的時間限制內完成 稱為 deadline 系統不需要以最快的速度 real fast 完成任務 但需要時常或每次皆在 deadline 之內完成 在這個前提下

大家好，我是讯享网，很高兴认识大家。

https://blog.csdn.net/changexhao/article/details/

Real Time 的定義

一個real time的系統需要保證其工作在給定的時間限制內完成(稱為deadline)。 系統不需要以最快的速度(real fast)完成任務，但需要時常或每次皆在deadline之內完成。

在這個前提下，real time系統的任務完成時間是可確定的(deterministic)。 而根據系統的限制不同，real time可分為：

  • Soft Real Time

系統不一定每次皆需要遵守deadline，但較多的deadline miss會導致服務品質降低。

  • Hard Real Time

系統能每次皆能在deadline內完成任務。

Real time on Linux

  • PREEMPT_RT (in-kernel; single kernel)

修改原本的 GNU/Linux 核心 (vanilla kernel)，以減少non-preemptible section的方式，使其逐步改善 real-time 能力。

  • dual kernel (如 RTLinux, RTAI, Xenomai)

運作一個 real-time 核心，然後將修改過的 GNU/Linux 核心程式碼視為該 real-time 核心的 idle task。

在xenomai中，dual kernel 就是 Xenomai 的 Nucleus / Cobalt Core 和 Linux kernel。Xenomai 改變整個系統架構，讓 ipipe -> xenomai scheduler 來預先處理 real-time task，而 Linux 則拉到上層成為一個task。這樣可以避免 Linux 因為龐大的架構而影響處理 real-time 的時間。

Xenomai系統架構


讯享网

Xenomai是一個linux kernel的patch 藉由在底層增加一個架構 負責硬體與接收interrupt 並將interrupt 傳給上層的OS(這邊稱為domain)

這個底層的架構是Adeos 是另一個open source的project

在api呼叫上可以看到不同層級的抽象化

ipipe_XXX -> rthal_XXX -> xnXXX

負責傳送interrupt的程式稱為ipipe 示意圖 :

可以找到ipipe_raise_irq()將interrupt推到pipeline

在ipipe上每個domain都有自己的優先度 高優先度的domain會先接收到interrupt 高優先度的domain的thread 可以preempt低優先度domain的thread

Xenomai 3

xenomai3有兩種configuration：

  • Cobalt: 採用dual kernel架構，是xenomai 2的延伸
  • Mercury: 使用單kernel形式，在linux kernel上提供xenomai api，由於本身依賴linux，一般來說會以PREEMPT_RT提供real-time services

Xenomai 3 dual kernal configuration : Cobalt

多一個 priority 比 linux 還高叫 cobalt 的 core 去處理 real-time 的事情，提供不同的 real-time API 給不同的 applications 使用。並且利用Optimistic interrupt protection 機制減少 changing the interrupt mask，一般的機制在每次進入critical section時都要interrupt mask，而Optimistic interrupt protection可以不用。而real-time 在意的 “deadline”，實際上就是探討 latency (latency 越大，系統越難在時限內完成完成高優先權任務，自然即時能力就越差)，而 latency 很大的來源則是 interrupt handling。

Xenomai 3 single kernel configuration :Mercury

運用本機的 linux core 在 PREEMPT_RT之上達到 real-time 的事情，這裡不是強制的，看 applications 對反應時間和 maximum jitter 的要求，有些甚至會作到某種程度 deadline 的忽略。

Adeos / iPipe

主要負責處理irq 與 high resolution timer, ipipe的工作很簡單 就是設定timer並將interrupt往上丟

  • Adeos feature
  • event pipeline :

    利用pipeline的方式將不同domain的interrupt或system call往上丟

  • Optimistic interrupt protection :

    當同一個domain在處理interrupt時，有跟她相同domain的interrupt要進來時，會將它進pending狀態，等到所有pending interrupt完成時，才會處理下個domain的interrupt。但更高優先權domain的interrupt會preempt較低優先權domain的interrupt。

  • Optimistic v.s Original :

    Original case:

    Optimistic case:

    從前兩張圖可看出一般的機制在每次進入critical section時都要interrupt mask，而Optimistic interrupt protection可以不用，所以在interrupt management的時間差很多。而real-time 在意的 “deadline”，實際上就是探討 latency (latency 越大，系統越難在時限內完成完成高優先權任務，自然即時能力就越差)，而 latency 很大的來源則是 interrupt handling。

  • System­ event propagation :

    system event(ex : page fault handle) 傳遞方式不同於interrupt，基本上是不可被stall的。

  • realtime support to threads running in the secondary domain
  • Common priority scheme :

    當xenomai task migrates to linux domain時，linux domain會繼承xenomai task的priority。

  • Predictability of program execution times :

    當xenomai threads 進入linux(secondary) domain時，不可被linux domain interrupt preempt掉，也不能被其他low priority activity at linux kernel preempt掉。通常最簡單實作方式就是加一個interrupt shield domain。

  • Fine-grained Linux kernel :

    In order to get the best from secondary domain,we need the Linux kernel to exhibit the shortest possible nonpreemptible section, so that rescheduling opportunities are taken as soon as possible after a Xenomai thread running in the secondary domain becomes ready to run.

  • Priority inversion management :

    Both the real-time nucleus and the Linux kernel should handle the case where a high priority thread is kept from running because a low priority one holds a contented resourse for a possibly unbounded amount of time.

  • 相關檔案︰
  • gic.c(舊版) -> irq-gic.c(新版) :

    Generic Interrupt Controller(GIC)為ARM架構中負責分配interrupt至cpu的裝置。此檔案實作gic功能的界面，包含init、mask、產生軟體interrupt、end of interrupt、取得資訊等。內容除了gic register操作外，也包含了spin locks。

  • it8152.c：提供ITE8152 (PCI Bridge)的支援。目前該硬體已經停止生產 。
  • timer-sp.c：ARM Dual-Timer Module (SP804)的界面。SP804提供兩個32/64bit count down counter，並提供timer interrupt。
  • vic.c -> irq-vic.c：

    提供Vectored Interrupt Controller(VIC)的界面。VIC主要存在於armv6或以前的架構中，提供priority、IRQ vector等功能，但並不支援SMP。在armv7之後的架構中，其漸漸被NVIC(Cortex-M)與GIC(Cortex-R/A)取代。

  • ipipe-tsc.c -> ipipe_tsc.c：Time Stamp Counter的界面，提供自reset起cycle數的計算。
  • ipipe/compat.c：與I-pipe legacy interface相關。
  • sched/clock.c：取得cpu_clock 解析度為nanosecond，開機後從0開始上數。在新版(3.18)ipipe中，此檔案並無修改。

GIC大約是上圖的distributor的位置

但raspberry pi只有一顆CPU所以不會有SMP與 CPU affinity設定的問題

HAL

檔案位置在 : xenomai-head/ksrc/arch/arm/hal.c (xenomai 2.6)

Hardware Abstract Layer:process 透過HAL呼叫ipipe的服務。這一層主要是包裝ipipe 與底層資訊 讓nucleus可以不用看到硬體資訊。

Nucleus / Cobalt

檔案位置在 : xenomai-head/ksrc/nucleus (xenomai 2.6) ; xenomai-head/kernel/cobalt (xenomai 3)

Xenomai的kernel, 包含schedule、timer、synch、thread、lock等等一般該有的RTOS功能，負責real-time tasks的執行。

Scheduler

優先處理realtime task ,linux也被視為其中一個thread,本身也有scheduler,但須等到沒有real-time task時(idle state),才會執行linux thread

就檔案有五個關於sched.c應該有四種不同的schedule方式

sched-idle.c :是專門處理idle狀態給linux schedule使用

sched-rt.c : 給real-time scheduler使用(FIFO+RR)

sched-sporadic.c : POSIX SCHED_SPORADIC scheduling class.

sched-tp.c : Temporal partitioning (typical of IMA systems)

sched.c : 應該是負責四個schedule方式的檔案

Skins

檔案位置在xenomai-head/ksrc/skins (xenomai 2.6)

呼叫xenomai的界面, 有native rtdm posix psos+ uitron vrtx vxworks等。

Xenomai與PREEMPT_RT的差異

  • Linux kernel preemption model 組態 (realtime程度 ↑ => latency↓ but throughput↓)
  • PREEMPT_NONE

    著重fairness和throughput，process在執行system call時無法被preempt。

  • PREEMPT_VOLUNTARY(DESKTOP)

    允許一個低優先權的 process把自己 preempt掉(即便該 process正在 kernel mode 執行著一個系統呼叫)

  • PREEMPT(Low-Latency Desktop)
  • PREEMPT_RT

    著重determinism，對即時系統而言，作業系統的「可決定性」比 throughput 更為重要，使用固定優先權的 preemptive 排程策略 (POSIX SCHED_FIFO 與 SCHED_RR)。

  • PREEMPT_RT 機制
  • Preemptible critical sections
  • Preemptible interrupt handlers
  • Preemptible “interrupt disable” code sequences
  • Priority inheritance for in-kernel spinlocks and semaphores
  • Deferred operations
  • Latency-reduction measures
  • Execute all activities (including IRQ) in “schedulable/thread” context

原本無法preempt的地方讓他可以preemt，讓spinlock 區塊在區分成可以preempt的地方跟不能preempt的地方，將IRQ handler移到thread中執行。

Priority inheritance 是讓握有spinlock 或 semaphore的process可以暫時的提高優先權 讓他可以盡快做完critical section釋放spinlock或semaphore

高Priority的 process才有辦法繼續執行。

  • PREEMPT_RT 與 xenomai的差異

RT_PREEMPT是基於linux架構去改進 讓更多地方能preempt 達到real-time的能力

Xenomai則是改變整個系統架構 新增一個scheduler與IRQ管理的機制

讓處理real-time task流程簡化到只剩ipipe->scheduler 就能執行

不會因linux龐大的架構影響到real-time task的處理時間

建立 Xenomai 環境

Xenomai 2.6 on raspberry pi

  • 下載 Raspbian: http://www.raspberrypi.org/downloads/
  • 將raspbian的img檔燒進sd card上 
    sudo dd if=<raspbian image file> of=/dev/mmcblk0 bs=4M

    讯享网
  • if 為 input file, of 為 output file, bs為 block size
  • 燒錄詳細介紹: http://life-of-raspberrypi.blogspot.tw/
  • Install Cross complier 
    讯享网 
    1. cd <working dir>
    2. wget https://github.com/raspberrypi/tools/archive/master.tar.gz
    3. tar xzfv master.tar.gz
  • Download kernel 
     git clone -b rpi-3.8.y --depth 1 git://github.com/raspberrypi/linux.git linux-rpi-3.8.y
  • Download Xenomai 
    讯享网 git clone git://git.xenomai.org/xenomai-head.git xenomai-head
  • Download minimal config 
     wget https://www.dropbox.com/s/dcju74md5sz45at/rpi_xenomai_config
  • Apply ipipe core pre-patch 
    讯享网 
    1. cd linux-rpi-3.8.y
    2. patch -Np1 < ../xenomai-head/ksrc/arch/arm/patches/raspberry/ipipe-core-3.8.13-raspberry-pre-2.patch
  • Apply Xenomai ipipe core patch 
     
    1. cd <working dir>
    2. ./xenomai-head/scripts/prepare-kernel.sh --arch=arm --linux=linux-rpi-3.8.y --adeos=xenomai-head/ksrc/arch/arm/patches/ipipe-core-3.8.13-arm-4.patch
  • Apply ipipe core post-patch 
    讯享网 
    1. cd linux-rpi-3.8.y
    2. patch -Np1 < ../xenomai-head/ksrc/arch/arm/patches/raspberry/ipipe-core-3.8.13-raspberry-post-2.patch
  • Create build directory 
     
    1. cd <working dir>
    2. mkdir linux-rpi-3.8.y/build
  • Configure kernel 
    讯享网 
    1. cp rpi_xenomai_config linux-rpi-3.8.y/build/.config
    2. cd linux-rpi-3.8.y
    3. make mrproper
    4. make ARCH=arm O=build oldconfig
  • Compile Linux Kernel (此步驟耗時長，建議用make -j平行加速)

在作此步驟之前須export library

 
  1. export PATH=<working dir(full path)>/tools-master/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/:$PATH
  2. make ARCH=arm O=build CROSS_COMPILE=<working dir(full path)>/tools-master/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi-
  • Install modules 
    讯享网 make ARCH=arm O=build INSTALL_MOD_PATH=dist modules_install
  • Install headers 
     
    1. make ARCH=arm O=build INSTALL_HDR_PATH=dist headers_install
    2. find build/dist/include \( -name .install -o -name ..install.cmd \) -delete
  • 編譯好的kernelImage(/linux-rpi-3.8.y/build/arch/arm/boot/Image),移到SD卡的 /boot/ 路徑下並更改名稱為kernel.img
  • 將linux-rpi-3.8.y/build/dist中的Module,移到SD卡中的/lib/modules
  • Compile Xenomai 
    讯享网 
    1. cd xenomai-head
    2. export PATH=<working dir(full path)>/tools-master/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/:$PATH
    3. ./configure --host=arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi
    4. cd src
    5. mkdir dist
    6. make install DESTDIR=`pwd`/dist
  • dist中會出現usr/xenomai, 將這個資料夾移到sd卡中 /usr/
  • 用 minicom 連進 raspberry pi 中執行以下動作 
     
    1. export PATH=/usr/xenomai/bin:$PATH
    2. export LD_LIBRARY_PATH=/usr/xenomai/lib
    3. sudo modprobe xeno_posix

Xenomai 3 on raspberry pi

  • 取得 xenomai 3.0-rc、rpi-linux 3.18.y、ipipe 3.18.12 arm patch、toolchain 
    讯享网 
    1. git clone -b rpi-3.18.y git://github.com/raspberrypi/linux.git rpi-linux
    2. git clone -b v3.0-rc4 git://git.xenomai.org/xenomai-3.git xenomai-3
    3. wget http://download.gna.org/adeos/patches/v3.x/arm/ipipe-core-3.18.12-arm-1.patch
    4. git clone https://github.com/raspberrypi/tools.git --depth=1
  • checkout rpi-linux至3.18.12 
     
    1. git checkout c963de6d8caec6278c0dde76831f9fdab5bace52
    2. git checkout -b 3.18.12
  • 由此處取得rpi post patch

post patch

  • 上 ipipe patch 
    讯享网 
    1. cd rpi-linux
    2. ../xenomai-3/scripts/prepare-kernel.sh --arch=arm --ipipe=<你的patch位置>/ipipe-core-3.18.12-arm-1.patch --linux=.
  • ipipe post patch (註：pre patch為解決ipipe patch衝突之用，此處無衝突故不需要) 
     patch -Np1 < <你的patch位置>/3.18.12-xenomai3-temp.patch
  • configure kernel(使用rpi提供的default) 
    讯享网 
    1. export CCPI=($working_dir)/tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin/arm-linux-gnueabihf-
    2. mkdir build
    3. make mrproper
    4. make ARCH=arm O=build CROSS_COMPILE=$CCPI bcmrpi_defconfig
    5. make ARCH=arm O=build CROSS_COMPILE=$CCPI menuconfig

若patch正確，會在設定表裡看到xenomai相關選項。

使用manuconfig或編輯build/.config，找到CONFIG_CPU_FREQ , CONFIG_CPU_IDLE , CONFIG_KGDB , CONFIG_CONTEXT_TRACKING_FORCE(若有的話)設為n。

  • compile kernel 
     make -j 5 ARCH=arm O=build CROSS_COMPILE=$CCPI
  • 安裝kernel modules 
    讯享网 make ARCH=arm O=build INSTALL_MOD_PATH=dist modules_install
  • 安裝headers 
     make ARCH=arm O=build INSTALL_HDR_PATH=dist headers_install
  • xenomai 
    讯享网 
    1. cd ../xenomai-3
    2. mkdir dist
    3. export PATH=/home/erickitten/workspace/xenomai/pi/tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin/:$PATH
  • 設定bootstrap 
     ./scripts/bootstrap --with-core=cobalt –enable-debug=partial
  • configure 
    讯享网 ./configure CFLAGS="-mcpu=arm1176jzf-s -mfpu=vfp -mfloat-abi=hard" LDFLAGS="-mcpu=arm1176jzf-s -mfpu=vfp -mfloat-abi=hard" --host=arm-linux-gnueabihf --with-core=cobalt
  • install 
     make DESTDIR=`pwd`/dist install
  • 複製kernel

將linux-rpi/build/arch/arm/boot/Image複製到SD卡的/boot (partition)，並改名成kernel.img。或使用config.txt，以kernel=指定名稱。

  • 移動module / patches (權限問題，需使用sudo) 
    讯享网 
    1. cd ..
    2. sudo cp -r rpi-linux/build/dist/lib/modules $(sdcard)/lib
    3. sudo cp -r xenomai-3/dist/usr/xenomai $(sdcard)/usr

Beaglebone Black 環境設置

使用舊版linux(Angstrom)來做測試，核心編譯步驟參考上面步驟 或 http://elinux.org/EBC_Installing_Kernel_Source

  • 下載Kernel Source & 編譯 
     
    1. host$ git clone git://github.com/RobertCNelson/bb-kernel.git
    2. host$ cd bb-kernel
    3. host$ git tag (This shows what versions can be checked out.)
    4. host$ git checkout 3.8.13-bone67 -b 3.8.13-bone67
  • 預設username/password 
    讯享网 
    1. host$ ./build_kernel.sh
    2. username:root
  • 設定cross compile

在Kernel Configuration中選擇General setup，輸入

 CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
  • 安裝必要套件 
    讯享网 
    1. sudo apt-get update
    2. sudo apt-get install build-essential device-tree-compiler fakeroot lzma lzop u-boot-tools libncurses5-dev:amd64 libc6:i386 libncurses5:i386 libstdc++6:i386 zlib1g:i386
  • 完成上述步驟後即可上電,按 boot select button 讓它從 sd card 開機，開機後進入登入畫面，帳號/密碼寫在上面
  • 登入後查詢版本 
     
    1. sudo su
    2. uname -a

Xenomai 2.6 on Beaglebone

Kernel裝好後,測試可以成功從 SD 卡開機,接著更換換 Kernel

參考資料 http://elinux.org/EBC_Xenomai 與 http://emplearn.blogspot.tw/search?q=xenomai

  • 設定路徑 
    讯享网 
    1. mkdir bbb
    2. cd bbb
    3. export BBB=$(pwd)
  • 取得xenomai-2.6.4 (與 beaglebone-kernel 同一層目錄) 
     wget http://download.gna.org/xenomai/stable/latest/xenomai-2.6.4.tar.bz2
  • 檢查版本 
    讯享网 
    1. cd bb-kernel/KERNEL
    2. uname -a
    3. git tags | sort | less
  • 選擇跟所編譯 Kernel 最接近版本，在此為 3.8.13 
     git checkout 3.8.13-bone67 -b xenomai
  • Patch the kernel 
    讯享网 
    1. cd bb-kernel/KERNEL
    2. patch -p1 < ../../xenomai-2.6.4/ksrc/arch/arm/patches/beaglebone/ipipe-core-3.8.13-beaglebone-pre.patch
    3. patch -p1 < ../../xenomai-2.6.4/ksrc/arch/arm/patches/ipipe-core-3.8.13-arm-4.patch
    4. patch -p1 < ../../xenomai-2.6.4/ksrc/arch/arm/patches/beaglebone/ipipe-core-3.8.13-beaglebone-post.patch
  • Prepare the kernel 
     
    1. cd ../../xenomai-2.6.4/scripts
    2. ./prepare-kernel.sh --arch=arm --linux=../../bb-kernel/KERNEL/
  • Prepare the kernel 
    讯享网 cd ../../bb-kernel
  • 確認已經關掉AUTO_BUILD 
     vi system.sh
  • 確認最後一行為 
    讯享网 #AUTO_BUILD=1
  • 關掉 CPU Power Management —> CPU Frequency scaling中的 [ ] CPU Frequency scaling.
  • 將Real-time sub-system —> Drivers —> Testing drivers中的選項全部打開 
     
    1. cd ../../bb-kernel/KERNEL
    2. make ARCH=arm menuconfig
  • 再重新編譯 
    讯享网 make -j8 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- LOADADDR=0x uImage dtbs modules
  • 編譯完後將 SD 卡內的 Kernel 換掉 
     mkdir sd
  • 掛載 sd 卡
  • 確認掛載的目錄內一定要有這些路徑 
    讯享网 
    1. sudo mount /dev/mmcblk0p1 sd
    2. sudo cp beagle-kernel/kernel/arch/arm/boot/uImage sd/boot/uImage-3.8.13
    3. cd beagle-kernel/kernel
    4. sudo make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- INSTALL_MOD_PATH=$BBB/sd modules_install
    5. cd -
    6. mkdir sd/home/root/xeno_drivers
    7. cp beagle-kernel/kernel/drivers/xenomai/testing/*.ko sd/home/root/xeno_drivers/
    8. cp -r xenomai-2.6.3 sd/home/root
    9. ./configure --target=arm-linux-gnueabi
    10. mkdir -p dist; make DESTDIR=`pwd`/dist install
  • 將編譯後dist內的內容複製放到beaglebone上 
     sudo umount sd
  • 測試,掛載driver 
    讯享网 
    1. cd ~/xeno_drivers
    2. insmod xeno_klat.ko
    3. /usr/xenomai/bin/cyclictest -p 90

Xenomai 3 on Beaglebone Black

  • 先下載 linux kernel:
  • 參考資料 : http://elinux.org/EBC_Installing_Kernel_Source 
     
    1. git clone git://github.com/RobertCNelson/bb-kernel.git
    2. cd bb-kernel
    3. git tag (This shows what versions can be checked out.)
    4. git checkout 3.18-rc7 -b 3.18-rc7
    5. ./build_kernel.sh
  • Prepare the kernel 
    讯享网 
    1. cd ../../xenomai-2.6.4/scripts
    2. ./prepare-kernel.sh --arch=arm --linux=../../bb-kernel/KERNEL/
  • Compile Kernel 
     cd ../../bb-kernel
  • 確認狀態，關掉休眠
  • 關掉 CPU Power Management —> CPU Frequency scaling中的 [ ] CPU Frequency scaling.
  • 將Real-time sub-system —> Drivers —> Testing drivers中的選項全部打開 

讯享网 make ARCH=arm menuconfig
  • 再重新編譯 
     make -j 8 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- LOADADDR=0x uImage dtbs modules
  • 把 SD card format 並 燒錄 debian (要進入 root 模式) 
    讯享网 
    1. sudo mkfs -t ext4 /dev/mmcblk0
    2. sudo xz -dkc bone-debian-7.5-2014-05-14-2gb.img.xz > /dev/mmcblk0
  • 把dtb file (or dts) and zImage 換掉，把 zImage 放入到 SD card 內 就可以成功開機了!
  • 然後去下載 Xenomai3.git
  • 參考資料 :http://git.xenomai.org/xenomai-3.git 
     
    1. wget http://git.xenomai.org/xenomai-3.git/snapshot/xenomai-3-3.0-rc4.tar.bz2
    2. tar jxvf xenomai-3-3.0-rc4.tar.bz2
    3. wget http://download.gna.org/adeos/patches/v3.x/arm/ipipe-core-3.18.12-arm-1.patch //載 ipipe patch
    4. cd bb-kernel/KERNEL
    5. patch -p1 < ../../ipipe-core-3.18.12-arm-1.patch
  • Compile Xenomai 3 
讯享网 
  1. cd xenomai-3-3.0-rc4
  2. mkdir dist
  3. export PATH=/home/neal/Xenomai/tool-master/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin/:$PATH
  4. ./scripts/bootstrap --with-core=cobalt –enable-debug=partial
  5. ./configure CFLAGS="-march=armv7-a -mtune=cortex-a8 -mfloat-abi=hard -mfpu=neon -ffast-math" --host=arm-linux-gnueabihf --target=arm-linux-gnueabihf
  6. mkdir -p dist; make DESTDIR=`pwd`/dist install
  • dist中會出現usr/xenomai, 將這個資料夾移到sd卡中 /usr/
  • Install module : 
     
    1. cd bb-kernel/KERNEL
    2. mkdir dist
    3. sudo make ARCH=arm INSTALL_MOD_PATH=dist modules_install
  • 把 modules 移到 SD card /lib/modules 內 
    讯享网 sudo cp -rp dist/lib/modules/3.18.0-rc7+/ /media/neal/rootfs/lib/modules/
  • 即可成功 run xenomai 3 的 內建執行檔.
  • ex : sudo /usr/xenomai/bin/arm-linux-gnueabihf-latency

Xenomai 3 on Raspberry Pi 3

linux 核心部份

  1. 下載 raspberrypi linux kernel source 
     
    1. $ git clone https://github.com/raspberrypi/linux.git
    2. $ git checkout rpi-4.1.y

    為了配合xenomai最新版本只支援linux kernel 4.1

  2. 下載 xenomai3 source 
    讯享网 
    1. $ git clone http://git.xenomai.org/xenomai-3.git/
    2. $ git checkout v3.0.2

    4.1.18的patch檔只有3.0.2之後才有

  3. 下載 xenomai3 on bcm2709 patch 
    $ wget http://wiki.csie.ncku.edu.tw/_showraw/patch-xenomai-3-on-bcm-2709.patch
  4. Patch Xenomai 到 Linux kernel 中 
    讯享网 
    1. $ cd xenomai-3
    2. $ scripts/prepare-kernel.sh --linux=../linux/ --ipipe=kernel/cobalt/arch/arm/patches/ipipe-core-4.1.18-arm-4.patch --arch=arm
  5. 打入xenomai3 on bcm2709 patch 
     
    1. $ cd linux
    2. $ cat ../patch-xenomai-3-on-bcm-2709.patch | patch -p1
  6. 修改linux組態 
    讯享网 
    1. $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2709_defconfig
    2. $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

    修改下列組態([ ]為不選，[X]為選取)：

     
    1. CPU Power Management --->
    2. CPU Frequency scaling --->
    3. [ ] CPU Frequency scaling
    4. CPU idle --->
    5. [ ] CPU idle PM support
    6. Kernel Features --->
    7. [ ] Contiguous Memory Allocator
    8. [ ] Allow for memory compaction
    9. Kernel Hacking --->
    10. [ ] KGDB: kernel debugger
    11. Boot options --->
    12. Kernel command line type --->
    13. [X] Extend bootloader kernel arguments
  7. 開始編譯核心 
    讯享网$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage modules dtbs

    使用 -jx 來建立x個thread平行編譯

  8. 輸出編譯完的模組 
     
    1. $ mkdir dist
    2. $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- INSTALL_MOD_PATH=dist modules_install
  9. 複製 zImage 及 device tree 至 SD 卡上 
    讯享网 
    1. $ cp arch/arm/boot/zImage /media/${USER}/boot
    2. $ cp arch/arm/boot/dts/bcm2710-rpi-3-b.dtb /media/${USER}/boot
    3. $ rm -rf /media/${USER}/boot/overlays/*
    4. $ cp arch/arm/boot/dts/overlays/*.dtb* /media/${USER}/boot/overlays/
  10. 複製模組至 SD 卡上 
    # sudo cp -r linux/dist/lib/modules/* /media/${USER}/${ROOTFS}/lib/modules
  11. 修改 /boot/config.txt 內文最後加上 
    讯享网 
    1. kernel=${zImage name}
    2. device_tree=bcm2710-rpi-3-b.dtb

Xenomai cobalt 核心部份

  1. cobalt kernel 參數設定 
     
    1. $ cd xenomai-3
    2. $ ./scripts/bootstrap --with-core=cobalt –enable-debug=partial
    3. $ ./configure CFLAGS="-march=armv7-a -mtune=cortex-a8 -mfloat-abi=hard -mfpu=neon -ffast-math" --host=arm-linux-gnueabihf --target=arm-linux-gnueabihf --enable-smp
  2. 編譯 
    讯享网$ make DESTDIR=${PWD}/target install
  3. 放入 SD 卡中 
    $ sudo cp -a target/* /media/${USER}/${ROOTFS}/

    All Done！！

觀察與分析

讯享网 
  1. pi@raspberrypi:～$ cat /proc/xenomai/stat
  2. CPU PID MSW CSW PF STAT %CPU NAME
  3. 0 0 0 206 0 00 100.0 ROOT
  4. 0 0 0 0 00000000 0.0 IRQ3: [timer]
  • CPU : 目前這個tread是使用哪個CPU在運行，而rpi是單核心CPU，故顯示皆為0
  • MSW : Mode SWitches, This value should only increase over time for threads that are expected to interact with Linux services.
  • 當process從primary mode轉成secondary mode或是secondary mode轉成primary mode時，將會紀錄一次的轉換。
  • cyclictest的RT task因為會執行到memset，所以會從xenomai schedule跳到linux schedule，MSW＋1，而執行完memset後將在跳回xenomai schedule，故再＋1
  • CSW : Number of Context SWitches (or IRQ hits for the particular CPU)
  • PF : Number of Page Faults (should stop increasing as soon as mlockall is in effect)
  • STAT : A bitfield describing the internal state of the thread. Bit values are defined in include/nucleus/thread.h (See status and mode bits). The STAT field from /proc/xenomai/sched gives a 1-letter-per-bit symbolic translation of a the most significant subset of those bits.
  • %CPU : CPU share of the thread (or IRQ handler) since the last retrieval of the statistics.
  • NAME : Name of the thread (or IRQ number and registered driver). Can be set, e.g., with the (non portable) POSIX-API-function pthread_set_name_np. See API documentation of the RTOS skin in question. 
 
  1. pi@raspberrypi:～$ sudo /usr/xenomai/bin/cyclictest >/dev/null 2>/dev/null &
  2. [1] 2253 
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  1. pi@raspberrypi:～$ ps aux | grep -i "cy"
  2. root 2253 0.5 0.3 4580 1464 ? S 03:34 0:00 sudo /usr/xenomai/bin/cyclictest
  3. root 2254 2.7 0.4 2340 2132 ? SLl 03:34 0:00 /usr/xenomai/bin/cyclictest
  4. pi 2259 0.0 0.1 3540 820 ttyAMA0 S+ 03:34 0:00 grep --color=auto -i cy 
 
  1. pi@raspberrypi:～$ cat /proc/xenomai/stat
  2. CPU PID MSW CSW PF STAT %CPU NAME
  3. 0 0 0 255 0 00 100.0 ROOT
  4. 0 2254 1 1 0 00b00380 0.0 cyclictest
  5. 0 2256 2 48 0 00 0.0 cyclictest
  6. 0 0 0 0 00000000 0.0 IRQ3: [timer] 
讯享网 
  1. pi@raspberrypi:~$ watch -n 1 cat /proc/xenomai/stat
  2. Every 1.0s: cat /proc/xenomai/stat Wed Jan 8 03:38:43 2014
  3.  
  4. CPU PID MSW CSW PF STAT %CPU NAME
  5. 0 0 0 442 0 00 99.9 ROOT
  6. 0 2254 1 1 0 00b00380 0.0 cyclictest
  7. 0 2256 2 235 0 00 0.0 cyclictest
  8. 0 0 0 0 00000000 0.1 IRQ3: [timer]

在這邊可以看到cyclictest有兩個pid，因為/usr/xenomai/bin/cyclictest它會先創一個thread，並讓這個thread跑nanosleep，所以會有兩個process。接著看向CSW，pid 2254的cyclictest, 他的CSW只有1。pid 2256的卻有235，這是因為2256是一個xenomai realtime task，而 2254是一個 linux的process，所以2256會優先執行，直到realtime task都做完才會換low priority的linux domain process取得CPU，因此2254的CSW值才會是1而沒有增加。

 
  1. pi@raspberrypi:~$ sudo kill 2254
  2.  
  3. pi@raspberrypi:~$ ps aux | grep -i "cy"
  4. pi 2324 0.0 0.1 3540 820 ttyAMA0 R+ 03:46 0:00 grep --color=auto -i cy
  5. [1]+ Done sudo /usr/xenomai/bin/cyclictest > /dev/null 2> /dev/null
  6.  
  7. pi@raspberrypi:~$ sudo /usr/xenomai/bin/cyclictest -p FIFO >/dev/null 2>/dev/null &
  • 在我們了解MSW時，嘗試了在-p後面加上了文字(如：FIFO、RR……)
  • 發現MSV的值開始往上增加，也發現一開始對於MSW的定義理解錯誤 
    讯享网 
    1. CPU PID MSW CSW PF STAT %CPU NAME
    2. 0 0 0 75266 0 00 99.9 ROOT
    3. 0 2978 1 1 0 00b00380 0.0 cyclictest
    4. 0 2980 2 26846 0 00 0.0 cyclictest
    5. 0 7559 1 1 0 00b00380 0.0 cyclictest
    6. 0 7561 66 130 0 00b00184 0.0 cyclictest
    7. 0 0 0 0 00000000 0.1 IRQ3: [timer]
  • trace後才了解，這是xenomai在-p的指令上是使用atoi，將輸入的數字轉為int，但並沒有進行偵錯，才導致segment fault，而需跳轉到linux domain進行除錯。

效能表現

  • Stock Linux 
     cyclictest -p 90 - m -c 0 -i 200 -n -h 100 -q -l 1000 >log

  • PREEMPT_RT-patched Linux 
    讯享网 cyclictest -p 90 - m -c 0 -i 200 -n -h 100 -q -l 1000 >log

  • Xenomai-patched Linux 
     /usr/xenomai/bin/cyclictest -p 90 - m -c 0 -i 200 -n -v 100 -q -l 100" >log

  • User,kernal,timer IRQ 在R-pi上使用Xenomai 2.6與Xenomai 3.0之比較圖
  • Xenomai 3.0

  • Xenomai 2.6

  • User,kernal,timer IRQ 在Beaglebone上使用Xenomai 2.6與Xenomai 3.0之比較圖
  • Xenomai 3.0

  • Xenomai 2.6

Cyclictest 原理

  • 概念:設定一個時間間隔->取得現在時間->讓process 睡一個間隔->process醒來後再取一次時間->比對兩次取得的時間差與設定的間隔差距
  • pseudocode: 
    讯享网 
    1. clock_gettime((&now))
    2. next = now + par->interval
    3. while (!shutdown) {
    4. clock_nanosleep((&next))
    5. clock_gettime((&now))
    6. diff = calcdiff(now, next)
    7. # update stat-> min, max, total latency, cycles
    8. # update the histogram data
    9. next += interval
    10. }
  • 造成時間差的原因
  • timer精準度
  • IRQ latency
  • IRQ handler duration
  • scheduler latency
  • scheduler duration
  • Cyclictest 實作流程

1.cyclictest建立一個timerthread, 它一個 realtime 的 thread

2.timerthread會重複的執行取第一次時間 nanosleep(interval) 取第二次時間 比對兩次時間差與interval的差異

3.最後將結果輸出在terminal

  • Clock_nanosleep 的 timer

clock_nanosleep 使用的timer 是 high resolution timer(HRT) ,讓睡眠時間可以更精確,達到nanosecond的精準度（但還是要看硬體能提供的精準度)

因為能在更準確得時間讓process醒來並取的nanoscecond單位的時間 所以可以計算到由systick無法計算到的duration + latency

  • Clock_nanosleep 實作流程

1.使用 spinlock (xnlock_get_irqsave) 令 CPU 不接受 Interrupt

2.使用 xnpod_suspend_thread 改變目前 thread 的狀態

3.使用 xntimer_get_timeout_stopped 取得 tick

4.使用 ticks2ts 轉換時間單位

 
  1. int clock_nanosleep (clockid_t clock_id, int flags, const struct timespec *rqtp, struct timespec *rmtp)
  2. {
  3. xnthread_t *cur;
  4. spl_t s;
  5. int err = 0;
  6.  
  7. if (xnpod_unblockable_p())
  8. return EPERM;
  9.  
  10. if (clock_id != CLOCK_MONOTONIC && clock_id != CLOCK_REALTIME)
  11. return ENOTSUP;
  12.  
  13. if ((unsigned long)rqtp->tv_nsec >= ONE_BILLION)
  14. return EINVAL;
  15.  
  16. if (flags & ~TIMER_ABSTIME)
  17. return EINVAL;
  18.  
  19. cur = xnpod_current_thread();
  20.  
  21. xnlock_get_irqsave(&nklock, s);
  22.  
  23. thread_cancellation_point(cur);
  24.  
  25. xnpod_suspend_thread(cur, XNDELAY, ts2ticks_ceil(rqtp) + 1,clock_flag(flags, clock_id), NULL);
  26.  
  27. thread_cancellation_point(cur);
  28.  
  29. if (xnthread_test_info(cur, XNBREAK)) {
  30.  
  31. if (flags == 0 && rmtp) {
  32. xnsticks_t rem;
  33.  
  34. rem = xntimer_get_timeout_stopped(&cur->rtimer);
  35. xnlock_put_irqrestore(&nklock, s);
  36.  
  37. ticks2ts(rmtp, rem > 1 ? rem : 0);
  38. } else
  39. xnlock_put_irqrestore(&nklock, s);
  40.  
  41. return EINTR;
  42. }
  43.  
  44. xnlock_put_irqrestore(&nklock, s);
  45.  
  46. return err;
  47. }
  • Cyclictest
  • Test case: POSIX interval timer, Interval 500 micro seconds,. loops, 100% load.
  • Commandline: 
    讯享网cyclictest -t1 -p 80 -i 500 -l
  • 使用 PREEMPT LINUX 
     
    1. root@raspberrypi:/home/pi# sudo ./cyclictest -t1 -p 80 -i 500 -l
    2. # /dev/cpu_dma_latency set to 0us
    3. policy: fifo: loadavg: 0.00 0.01 0.05 1/61 2064
    4. T: 0 ( 2063) P:80 I:500 C: Min: 27 Act: 49 Avg: 42 Max: 1060
  • 使用 RT-PREEMPT 
    讯享网 
    1. Linux raspberrypi 3.6.11+ #474 PREEMPT Thu Jun 13 17:14:42 BST 2013 armv6l GNU/Linux
    2. Min: 22 Act: 31 Avg: 32 Max: 169
  • 使用 Xenomai 
     
    1. Linux raspberrypi 3.8.13-core+ #1 Thu Feb 27 03:02:16 CST 2014 armv6l GNU/Linux
    2. Min: 1 Act: 5 Avg: 6 Max: 41 
讯享网 
  1. root@raspberrypi:/home/pi# /usr/xenomai/bin/cyclictest -t1 -p 80 -i 500 -l 10000
  2. 0.08 0.06 0.05 1/61 2060
  3. T: 0 ( 2060) P:80 I: 500 C: Min: -4 Act: -2 Avg: 0 Max: 30

T:thread

P:priority

I:interval

C:執行cycle數

Min:最小延遲

Act:此次延遲時間

Avg:平均延遲

Max:最大延遲

最重要的是Max值 為了確保realtime 要能知道worst case,讓開發者可以評估最差的情況可以在多少時間內可以做出回應

  • 比較Cyclictest 於使用 PREEMPT LINUX,RT-PREEMPT以及Xenomai
  • 使用R-pi model B+ , Xenoami 2.6.4

  • 實驗數據 | Kernel Type | Max latency(µs) | |:—————-|:—————-| | Linux preempt | 271 | | Full preempt_rt | 96 | | Xenomai 2.6.4 | 38 |

示波器 實驗

試著撰寫driver驅動板子,進而使用示波器測試latency,驗證在不同因素之下造成不同的 max latency

  • Source code

https://github.com/jacky6016/GPIO-test

https://github.com/erickitten/GPIO_test_xenomai3_2

  • 實驗數據
Driver model max latency(µs)

rpi xenomai-2 RTDM

4.71

beaglebone xenomai-2 RTDM

7.46

rpi xenomai-3 RTDM

7.022

rpi xenomai-2 linux native

10.92

rpi xenomai-2 user-level(python)

244
  • 詳細實驗紀錄

展示

在 RPi B+ 上結合 Xenomai 3 的成果：CNC 繪圖機

Q&A

  • Q1:handler duration 與 schedule latency 之間的延遲原因為何?
  • A:

  • Q2:ipipe的效益為何?為什麼要切割damain?切割完要如何確保real-time的穩定速度?
  • A:

ipipe的主要效益是用來切割domain，讓real-time和linux interrupt可以在不同domain下進行運作。

切割domain原因是因為real-time domain的優先序是最高的，當有real-time interrupt進來，就會直接進入real-time domain去執 行，不會在經過整個linux的複雜架構下進行preempt的動作，可確保real-time 能在短時間內進行處理。

  • Q3:ipipe/Adeos理論基礎中的Fine-grained是什麼?
  • A:

在life with andeos這篇指的fine-grained linux kernel，是指在編寫linux kernel code時，盡量讓critical section能愈短愈好，確保當real-time thread running in the secondary domain能在一定時間內遇到schedule point，也就可以在schedule point處理real-time thread。

  • Q4:ipipe的相關檔案，gic.c、it8152.c … 之類的有什麼關係?
  • A:
  • Q5:請解釋下圖

  • A:

    GIC:Generic Interrupt Controller(GIC)是arm用來集中分配interrupt至cpu的裝置。它主要分為distributor與cpu interfaces.

    distributor:負責分配interrupts，紀錄執行狀態，並提供registers以決定每個interrupt的enable、priority level、target processor。每個interrupt會有固定的interrupt ID，以供接收的cpu辨認。

    cpu interface:向cpu傳送interrupt request，並提供distributor接收(acknowledge)interrupt、完成interrupt等訊息;它也提供決定priority mask、preemption policy的registers。

    當啟動時，cpu interface會收到priority最高的pending interrupt，並決定它是否有足夠的priority被此cpu執行(參考mask、running interrupt、preemption)，若是則signal cpu。cpu讀取interface的register(GICC_HPPIR)以接收interrupt，此讀取會得到interrupt ID，當接收後 distributor會改變狀態(由pending->active(and pending));完成之後，cpu寫入register以示意interrupt已經完成。

    Interrupt types:
    • Private Peripheral Interrupt (PPI) ID：16-31

    每個cpu各自獨立的硬體interrupt。

    • Shared Peripheral Interrupt (SPI) ID：32~1019

    外部硬體interrupt。

    • Software-generated interrupt (SGI) ID：0~15

    軟體interrupt，由一個cpu發出，可指定至一個或多個cpu,cpu以寫入GICD_SGIR的方式產生SGI,其中PPI與SGI是N-N model,每個cpu的interrupt狀態各自獨立；SPI是1-N model，一旦其中一個目標cpu接受，interrupt即視為已處理。

  • Q6:Xenimai2與Xenomai3架構圖
  • A:
  • Q7:要如何知道每個CPU上跑哪一個task? SMP是如何排程?
  • A:

    對CPU來講 thread, process都是程式(program)，一如作業系統，CPU只是在其間跳來跳去;有一個 load balancer 會定期得去處理 Processor 間的 Balance 會將 loading 較重的 Processor 內的工作移到 Loading 較輕的 Processor 上去執行，其中會用到 Processor 間的 interrupt 這種 interrupt 叫 IPI (inter-processor interrupt)

    • inter-processor interrupt (IPI):

    IPI is a special type of interrupt by which one processor may interrupt another processor in a multiprocessor system if the interrupting processor requires action from the other processor.

    • PPI :

    An interrupt generated by a peripheral.

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