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英創(chuàng)信息技術(shù)移植Real Time Linux到英創(chuàng)工控主板簡(jiǎn)介

英創(chuàng)信息技術(shù) ? 來源:英創(chuàng)信息技術(shù) ? 作者:英創(chuàng)信息技術(shù) ? 2020-02-06 11:11 ? 次閱讀

為了使英創(chuàng)的嵌入式主板產(chǎn)品滿足工業(yè)實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用需求,我們對(duì)ESM335x系列主板的內(nèi)核進(jìn)行了調(diào)整,重新移植了Linux 4.1.7的系統(tǒng),在Linux 4.1.7的基礎(chǔ)上使用了kernel的RT PATCH(實(shí)時(shí)補(bǔ)丁),并且修改了相關(guān)接口的驅(qū)動(dòng)代碼,來保證操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。關(guān)于實(shí)時(shí)Linux(又稱RT Linux)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)知識(shí)可以瀏覽網(wǎng)站:https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/start進(jìn)行了解。我們將在下面介紹如何編寫面向?qū)崟r(shí)控制的應(yīng)用程序,以及在實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)環(huán)境中,應(yīng)用程序?qū)τ布录憫?yīng)延時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

實(shí)時(shí)應(yīng)用程序編寫

盡管實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)對(duì)內(nèi)核做了大量的改動(dòng)來提供系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,但對(duì)于應(yīng)用程序來說,只需要對(duì)有實(shí)時(shí)要求的線程設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)屬性,以及設(shè)置響應(yīng)的實(shí)時(shí)線程調(diào)度策略就可以了,并沒有特殊的API函數(shù)。關(guān)于設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)以及調(diào)度策略請(qǐng)參考我們網(wǎng)站上的文章:《Linux系統(tǒng)調(diào)度簡(jiǎn)介》,本文中用到的函數(shù)以及結(jié)構(gòu)體都在其中有更為詳細(xì)的介紹。

設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)以及調(diào)度策略有兩種方式,一種是在創(chuàng)建線程時(shí)設(shè)置線程的屬性,這樣線程創(chuàng)建后就具有了實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)并且使用設(shè)置的調(diào)度策略,函數(shù)原型如下:

設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)屬性:

int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param)

上述函數(shù)所包含的2個(gè)參數(shù)說明如下:

●pthread_attr_t *attr 由pthread_attr_init函數(shù)初始化,是線程的屬性

●struct sched_param結(jié)構(gòu)體包含 int sched_priority,也即實(shí)施優(yōu)先級(jí),取值范圍0~99。數(shù)值越大優(yōu)先級(jí)越高,所有的實(shí)時(shí)線程優(yōu)先級(jí)都高于普通線程。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,RT Linux將大部分中斷服務(wù)都改為了線程的形式,使得中斷服務(wù)可以被實(shí)時(shí)要求更高的線程搶占,中斷處理線程實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)為50,操作系統(tǒng)中最重要的線程(如看門狗線程)的優(yōu)先級(jí)為99,當(dāng)知道應(yīng)用程序的處理需要等待某個(gè)特定的中斷才能繼續(xù)執(zhí)行,而且該段代碼實(shí)時(shí)性要求很高時(shí),就可以將該段代碼所在線程的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為大于50小于99的值,這樣就能夠不受其他中斷處理線程的影響,最大限度的滿足實(shí)時(shí)性要求,比如我們?cè)谙旅娴臏y(cè)試程序中設(shè)置我們的線程實(shí)施優(yōu)先級(jí)為80。

設(shè)置調(diào)度策略:

int pthread_attr_setschedpolicy (pthread_attr_t *attr, int policy)

●policy 為調(diào)度策略,可選SCHED_FIFO或者SCHED_RR,兩者都是實(shí)時(shí)調(diào)度策略,SCHED_FIFO為先進(jìn)先出,只有高實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)線程能搶占當(dāng)前運(yùn)行的實(shí)時(shí)線程,SCHED_RR增加了時(shí)間片機(jī)制,使得同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)線程能夠輪轉(zhuǎn)運(yùn)行。

使用示例:

// 設(shè)置調(diào)度策略為SCHED_FIFO

res = pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);

if(res)

{

printf("pthread setschedpolicy faild\n");

}

struct sched_param param;

// 設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)為80

param.sched_priority = 80;

res = pthread_attr_setschedparam(&attr, ?m);

if(res)

{

printf("pthread setschedparam faild\n");

}

另一種方式是修改已經(jīng)存在的線程,設(shè)置其實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)和使用的調(diào)度策略,可以在其他線程中設(shè)置,也可以在線程中自行設(shè)置,只需要知道線程的PID,線程自行設(shè)置時(shí)PID為0,函數(shù)原型如下:

int sched_setscheduler (pid_t pid, int policy, const struct sched_param *param)

使用示例:

struct sched_param param;

// 設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)為80并且使用調(diào)度策略SCHED_FIFO

param.sched_priority = 80;

if(sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, ?m))

printf("wrong sched_setscheduler\n");

還有其他的函數(shù)可以設(shè)置這些相關(guān)屬性,具體請(qǐng)參考我們網(wǎng)站的文章《Linux調(diào)度策略簡(jiǎn)介》,或者其他相關(guān)資料。一般的使用是將有實(shí)時(shí)要求的功能代碼放入單獨(dú)的線程中,主程序以普通線程啟動(dòng)后建立實(shí)時(shí)線程來完成相關(guān)功能。由于實(shí)時(shí)線程的不可搶占性,不恰當(dāng)?shù)氖褂糜锌赡軙?huì)造成系統(tǒng)資源被無限占用,而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行,因此在開發(fā)階段需要特別注意,規(guī)劃好實(shí)時(shí)線程的任務(wù),尤其是要檢查循環(huán)語(yǔ)句,對(duì)于循環(huán)任務(wù)的設(shè)計(jì)可以參考網(wǎng)站資料:https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/applications/cyclic。

RT Linux的實(shí)時(shí)性測(cè)試

在我們的測(cè)試中,由GPIO中斷作為硬件事件,具體是使用外部的方波信號(hào)發(fā)生器作為中斷源,驅(qū)動(dòng)檢測(cè)到GPIO中斷后會(huì)喚醒用戶層的中斷處理線程(該線程已設(shè)置為實(shí)時(shí)線程),實(shí)時(shí)中斷處理線程作為對(duì)中斷事件的響應(yīng),是將另一位GPIO的輸出電平反相(Toggle處理)。用示波器測(cè)量輸入的中斷信號(hào)和作為響應(yīng)的GPIO信號(hào)之間的時(shí)間延遲。程序部分代碼如下:

struct paraset

{

int fd; // 中斷設(shè)備對(duì)應(yīng)的文件

int gpio; // 線程使用的GPIO進(jìn)行toggle處理

int rt_prio; // 線程的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí),0則設(shè)置為普通線程

};

int IRQSelectThreadFunc(void* lparam)

{

struct paraset * p = (struct paraset*)lparam;

int fd = p->fd ; // 獲取中斷設(shè)備對(duì)應(yīng)的文件識(shí)別號(hào)

int i=0;

printf ( "fd = %d \n", fd );

struct sched_param param;

param.sched_priority = p->rt_prio; // 設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí),由主線程傳入

if(p->rt_prio)

if(sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, ?m))

printf("wrong sched_setscheduler\n");

fd_set fdRead;

struct timeval aTime;

int ret;

GPIO_OutEnable(gpio_fd, 1<

gpio);

while(1)

{

FD_ZERO(&fdRead);

FD_SET(fd,&fdRead);

aTime.tv_sec = 2;

aTime.tv_usec = 0;

// 等待中斷事件

ret = select ( fd+1, &fdRead, NULL, NULL, &aTime );

if ( ret<0 )

printf( "select, something wrong!\n " );

if ( ret>0 )

{

if ( FD_ISSET(fd, &fdRead) )

{

//toggel one gpio

nIrqCounter++;

if(nIrqCounter%2)

GPIO_OutClear(gpio_fd, 1<

gpio);

else

GPIO_OutSet(gpio_fd, 1<

gpio);

}

}

}

pthread_exit( NULL );

return 0;

}

int StartPulseThread( struct paraset *p )

{

pthread_attr_t attr;

pthread_t m_thread;

int res;

struct sched_param param;

// 創(chuàng)建gpio線程

res = pthread_attr_init(&attr);

if( res!=0 )

{

printf("Create attribute failed\n" );

}

// 主程序傳入的參數(shù),判斷實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)是否為0,不為0則設(shè)置為實(shí)時(shí)線程

if(p->rt_prio)

{

// 設(shè)置調(diào)度策略為SCHED_FIFO

res = pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);

if(res)

{

printf("pthread setschedpolicy faild\n");

}

// 設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)

param.sched_priority = p->rt_prio;

res = pthread_attr_setschedparam(&attr, ?m);

if(res)

{

printf("pthread setschedparam faild\n");

}

res = pthread_attr_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);

if(res)

{

printf("pthread setinheritshed faild\n");

}

printf("set %d rt_priority: %d\n", p->fd, p->rt_prio);

}

// 創(chuàng)建線程

res = pthread_create( &m_thread, &attr, (void *(*) (void *))&IRQSelectThreadFunc, p );

if( res!=0 )

{

return -1;

}

pthread_attr_destroy( &attr );

return 0;

}

我們用同一個(gè)測(cè)試程序分別在ESM3354和ESM3352的標(biāo)準(zhǔn)Linux版本和RT Linux上運(yùn)行,當(dāng)輸入100Hz方波信號(hào),即硬件中斷間隔為10ms時(shí),隨機(jī)測(cè)試100次中斷延時(shí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:

主板型號(hào) ESM3354 ESM3352
CPU信息 Cortex-A8 主頻1GHz Cortex-A8 主頻600MHz
操作系統(tǒng) Linux-4.1.6 RT Linux-4.1.7 Linux-4.1.6 RT Linux-4.1.7
空載中斷延時(shí)最小值(us) 16 15 26 20
空載中斷延時(shí)最大值(us) 24 20 39 27
空載中斷延時(shí)平均值(us) 19.64 16.16 30.92 25.04
空載中斷延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值(us) 1.22 0.69 2.41 0.65
滿載中斷延時(shí)最小值(us) 88 58 100 80
滿載中斷延時(shí)最大值(us) 1050 185 2200 220
滿載中斷延時(shí)平均值(us) 140.73 94.36 183.06 108.94
滿載中斷延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值(us) 115.17 17.33 246.15 18.81

從上表可以看到:

●盡管在空載情況下普通Linux系統(tǒng)與RT Linux系統(tǒng)的中斷延時(shí)參數(shù)差異不大,但在滿負(fù)荷下差異就非常明顯了,特別是中斷延時(shí)最大值。均超過1ms,這意味著普通Linux只能用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求很低的場(chǎng)合。相對(duì)的,RT Linux在這項(xiàng)指標(biāo)上有了很大的提高,已可滿足最小硬件中斷間隔為1ms的應(yīng)用。

●RT Linux無論在空載還是滿載的情況下,中斷延時(shí)的方差,相對(duì)其平均值都比較小,這表示RT Linux系統(tǒng)對(duì)硬件中斷的響應(yīng)延時(shí)很一致,響應(yīng)時(shí)間更穩(wěn)定,這也是良好實(shí)時(shí)性的重要指標(biāo)。

●ESM3354相比于ESM3352由于CPU主頻更高,響應(yīng)時(shí)間更短,但是在RT Linux上的響應(yīng)時(shí)間均方差差別不大。由于ESM3352成本更低,而對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用來說響應(yīng)的實(shí)時(shí)性與ESM3354基本相同,所以在選購(gòu)時(shí)客戶可以優(yōu)先考慮性價(jià)比更高的ESM3352。

進(jìn)一步,把外部中斷頻率提高一個(gè)數(shù)量級(jí),即把中斷間隔縮短至1ms,再來比較中斷響應(yīng)延時(shí)的變化。測(cè)試數(shù)據(jù)如下:

主板型號(hào) ESM3354 ESM3352
CPU信息 Cortex-A8 主頻1GHz Cortex-A8 主頻600MHz
操作系統(tǒng) RT Linux-4.1.7
硬件中斷間隔 10000us 1000us 10000us 1000us
空載中斷延時(shí)最小值(us) 15 14 20 22
空載中斷延時(shí)最大值(us) 20 18 27 30
空載中斷延時(shí)平均值(us) 16.16 14.80 25.04 23.25
空載中斷延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值(us) 0.69 0.57 0.65 0.92
滿載中斷延時(shí)最小值(us) 58 40 80 54
滿載中斷延時(shí)最大值(us) 185 125 220 160
滿載中斷延時(shí)平均值(us) 94.36 57.30 108.94 70.58
滿載中斷延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值(us) 17.33 9.69 18.81 11.78

可以看到,外部中斷間隔變小之后,響應(yīng)延時(shí)并沒有變得更大,反而由于代碼執(zhí)行頻率增加而更有可能常駐高速cache從而更快的得到運(yùn)行,減小響應(yīng)延時(shí)。考慮到我們測(cè)試程序的中斷處理線程在收到中斷后處理比較簡(jiǎn)單,而實(shí)際應(yīng)用中往往需要執(zhí)行更為復(fù)雜的操作,需要更多的執(zhí)行時(shí)間,一般在50us的水平,這樣從硬件中斷開始,到處理線程完成響應(yīng)動(dòng)作,最長(zhǎng)需要大約270us時(shí)間。

根據(jù)以上的測(cè)試分析,可以認(rèn)為ESM335x + RT Linux系統(tǒng)是完全能滿足最小硬件中斷間隔不低于1ms的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用,這意味著可滿足大部分的實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用需求。

我們也將會(huì)在近期推出ESM6800的RT Linux版本,ESM6800采用iMX6UL Cortex-A7 528MHz CPU,以低功耗、低成本為特色,特別適用于對(duì)成本敏感的批量工業(yè)智能設(shè)備。請(qǐng)關(guān)注我們官網(wǎng)以及官方微信公眾號(hào)的最新信息。

有興趣的客戶可以直接和我們的工程師進(jìn)行溝通獲取相關(guān)文件進(jìn)行評(píng)估測(cè)試。

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    的頭像 發(fā)表于 12-19 17:02 ?525次閱讀

    國(guó)產(chǎn)工控主板,信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新引擎

    在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代,信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)正成為國(guó)家戰(zhàn)略的重要支撐。而我們的國(guó)產(chǎn)工控主板,以其卓越的性能和可靠的品質(zhì),為信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。國(guó)產(chǎn)工控
    的頭像 發(fā)表于 11-06 10:29 ?610次閱讀

    中科創(chuàng)達(dá)榮獲2024年軟件和信息技術(shù)服務(wù)優(yōu)秀企業(yè)

    及前百家企業(yè)”名單。中科創(chuàng)達(dá)憑借非凡的技術(shù)實(shí)力與持續(xù)的創(chuàng)新能力,成功入選“2024年度軟件和信息技術(shù)服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)力百?gòu)?qiáng)企業(yè)”以及“2024年軟件和信息技術(shù)服務(wù)優(yōu)秀企業(yè)”。
    的頭像 發(fā)表于 10-30 11:44 ?853次閱讀

    銳恩科技引領(lǐng)微控制器MCU技術(shù)創(chuàng)新,賦能多元化應(yīng)用!

    ,成為國(guó)家高新技術(shù)半導(dǎo)體企業(yè)的佼佼者。銳恩科技不僅致力于為客戶提供高可靠性、高性能、高性價(jià)比的一站式半導(dǎo)體芯片供應(yīng)服務(wù),更在8位和32位MCU市場(chǎng)不斷創(chuàng)新,推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)品應(yīng)用拓展。
    發(fā)表于 09-29 13:40

    引領(lǐng)智能未來:銳恩科技的國(guó)產(chǎn)低功耗單片機(jī)ENMCU

    在科技飛速發(fā)展的今天,低功耗單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛,尤其是在安防監(jiān)控、智能家居和微波雷達(dá)照明等領(lǐng)域。作為國(guó)內(nèi)專精特新國(guó)家高新技術(shù)半導(dǎo)體企業(yè),銳恩科技致力于為客戶提供高性能、低功耗的單片機(jī)解決方案
    發(fā)表于 09-26 17:16

    銳恩科技,以實(shí)力打造國(guó)產(chǎn)單片機(jī)替代品牌!

    今天我們要介紹的深圳銳恩科技的單片機(jī)。 鑒于我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)起步較晚,核心研發(fā)技術(shù)非常的短缺,導(dǎo)致了我國(guó)芯片需要依賴進(jìn)口。而可替代進(jìn)口MCU的國(guó)產(chǎn)芯片,產(chǎn)品性能必須要穩(wěn)定。 深圳銳恩科技是一國(guó)
    發(fā)表于 09-25 09:49

    創(chuàng)國(guó)產(chǎn)化背景下的工控主板發(fā)展現(xiàn)狀

    創(chuàng),是信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的簡(jiǎn)稱,于2016年“信創(chuàng)工委會(huì)”(信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新工作委員會(huì))提出,目的就是要推動(dòng)我們國(guó)內(nèi)軟硬件關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)
    的頭像 發(fā)表于 09-21 16:15 ?796次閱讀

    中軟國(guó)際信創(chuàng)服務(wù)助力大連信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

    為進(jìn)一步激發(fā)大連本地信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的活力與潛力,搭建一個(gè)高效、開放的交流平臺(tái)。由大連軟件行業(yè)協(xié)會(huì)攜手大連市信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新綜合服務(wù)中心主辦,中軟國(guó)際協(xié)辦的,2024年大連市信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)
    的頭像 發(fā)表于 08-27 16:49 ?1214次閱讀