openEuler 22.03 LTS 版本新增了 Preempt_RT 內(nèi)核實(shí)時(shí)補(bǔ)丁，提供軟實(shí)時(shí)特性。該特性由 Industrial-Control SIG 引入，并得到 Kernel SIG、Embedded SIG 和 Yocto SIG 配合與支持，已經(jīng)被集成到openEuler 22.03 LTS Server 和 openEuler 22.03 LTS Embedded 中。

什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的典型定義如下：“所謂實(shí)時(shí)系統(tǒng)，就是系統(tǒng)中計(jì)算結(jié)果的正確性不僅取決于計(jì)算邏輯的正確性，還取決于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間。如果完成時(shí)間不符合要求，則可以認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生了問題。”也就是說(shuō)，不管實(shí)時(shí)應(yīng)用程序執(zhí)行的是何種任務(wù)，它不僅需要正確執(zhí)行該任務(wù)而且必須及時(shí)完成。當(dāng)前，Preempt_RT 維護(hù)者 Thomas Gleixner 給出的“實(shí)時(shí)”含義是：它和指定的一樣快。

Linux 作為一種通用操作系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移，在功能和時(shí)序行為方面一直在發(fā)展，以便適合許多其他更具挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景；尤其是實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì) Linux 的實(shí)時(shí)性改造一直從未停止過(guò)。

對(duì) Linux 進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造，通?？蓮膬蓚€(gè)大的方向來(lái)著手。一個(gè)方向是從 Linux 內(nèi)核內(nèi)部開始，直接修改其內(nèi)核源代碼，其典型代表是 Preempt_RT 實(shí)時(shí)補(bǔ)丁；另一個(gè)方向則是從 Linux 內(nèi)核的外圍開始，實(shí)現(xiàn)一個(gè)與 Linux 內(nèi)核共存的實(shí)時(shí)內(nèi)核，即采用雙內(nèi)核方法，其典型實(shí)現(xiàn)為 RTAI/Linux，即現(xiàn)在的 Xenomai。

因?yàn)?Xenomai 實(shí)時(shí)內(nèi)核與 Linux 內(nèi)核共存，Xenomai 實(shí)時(shí)內(nèi)核小而精巧，能夠很好地控制其中的代碼質(zhì)量。Xenomai 實(shí)時(shí)內(nèi)核完成了基本的硬件抽象層、任務(wù)調(diào)度管理和進(jìn)程間通信管理模塊等，能夠滿足一些硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需求。然而，其上的實(shí)時(shí)應(yīng)用通常分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩部分來(lái)完成 ，實(shí)時(shí)部分必須使用 Xenomai 提供的特有的 API；非實(shí)時(shí)部分則可以使用 Linux 提供的系統(tǒng)調(diào)用。與 Preempt_RT 實(shí)時(shí)編程相比，Xenomai 編程實(shí)現(xiàn)更為困難，軟件移植難度更大。

與雙內(nèi)核機(jī)制方案相比，Preempt_RT 實(shí)時(shí)補(bǔ)丁最大的優(yōu)勢(shì)在于它遵循 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)，使用該補(bǔ)丁的實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序與非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)程序差異很小。因此，在使用該補(bǔ)丁的平臺(tái)上做相應(yīng)的開發(fā)比雙內(nèi)核機(jī)制的方案更容易。另外，該補(bǔ)丁與硬件平臺(tái)相關(guān)性小，可移植性高。由于 Linux 內(nèi)核過(guò)于龐大，有著較多關(guān)中斷、關(guān)搶占代碼，加上復(fù)雜的內(nèi)存管理、調(diào)度器代碼邏輯等眾多不確定性因素，使得 Preempt_RT 雖然具有較好的軟實(shí)時(shí)性，但在硬實(shí)時(shí)性方面有所欠缺。

什么是 Preempt_RT

Preempt_RT 補(bǔ)丁開發(fā)始于 2005 年。之后由德國(guó) OSADL 組織贊助，Ingo Molnar、Thomas Gleixner 和 Steven Rostedt 三人共同發(fā)起，旨在將 Linux 內(nèi)核的最大線程切換延遲從無(wú)限制的毫秒數(shù)降低到數(shù)十微秒的有界值。2016 年以后成為 Linux 基金會(huì)下屬合作項(xiàng)目。目前 Preempt_RT 的贊助者來(lái)自 ARM、BMW、CIP、ELISA、Intel、National Instruments、OSADL、RedHat 和 Texas Instruments 等。經(jīng)過(guò) Preempt_RT 和 Linux 內(nèi)核工程師在搶占、實(shí)時(shí)性方面的努力，Linux 內(nèi)核的搶占延遲降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使其能夠與商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)。業(yè)界知名的 MontaVista Linux、WindRiver Linux、TimeSys Linux 都有 RT 補(bǔ)丁的身影。像 RTJVM、RTKVM、RTDocker、RTAndroid 等曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的 Preempt_RT 衍生用例，響應(yīng)速度都有著不同程度的提升。

多年來(lái)，該補(bǔ)丁的許多部分已被納入主線 Linux，包括高分辨率計(jì)時(shí)器（2.6.16）、優(yōu)先級(jí)繼承（2.6.18）、可搶占的 RCU（2.6.25）、內(nèi)核互斥量和線程中斷處理程序（2.6.30）、完全 Tickless 機(jī)制（3.10）、DL 調(diào)度器（EDF 調(diào)度算法）（3.14）、實(shí)時(shí)搶占鎖（5.15）。然而，該補(bǔ)丁的核心部分仍然在主線之外。從近幾年的 Preempt_RT 補(bǔ)丁來(lái)看，當(dāng)前的主要工作不是開發(fā)新功能，而是專注于增量式引入主線和特定架構(gòu)的支持。

當(dāng)前 openEuler 22.03 LTS 主線內(nèi)核版本為 Linux Kernel 5.10，有 180 把鎖無(wú)法搶占，其中 8 把鎖在 RT 補(bǔ)丁中強(qiáng)制修改成無(wú)法搶占。在最新的 5.17 內(nèi)核中，Preempt_RT 補(bǔ)丁大小為 265KB，有 189 把鎖仍然無(wú)法搶占，RT 補(bǔ)丁不再?gòu)?qiáng)制修改鎖為無(wú)法搶占。

當(dāng)前 Preempt_RT 主要特性

• 臨界區(qū)可搶占
• 中斷處理程序可搶占
• 關(guān)中斷代碼序列可搶占
• 帶有優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制的內(nèi)核自旋鎖和信號(hào)量
• 線程化處理 RCU
• 降低延遲措施

部署方法

二進(jìn)制部署

二進(jìn)制部署可以安裝 openEuler 22.03 LTS 官方源中 rpm 包，需要 root 權(quán)限，命令如下：

#yuminstallkernel-rt

完成安裝后重啟設(shè)備，在 GRUB 引導(dǎo)界面選擇 Preempt_RT 內(nèi)核openEuler (5.10.0-60.18.0.rt62.52.oe2203.aarch64) 22.03 LTS即可。啟動(dòng)后查看內(nèi)核，即完成 openEuler 22.03 LTS Preempt_RT 二進(jìn)制部署。

#uname-r
5.10.0-60.18.0.rt62.52.oe2203.aarch64

獲取源碼

openEuler 22.03LTS kernel-rt源碼可以直接從官方源獲取，查詢命令如下：

#yumsearchkernel-rt
...
kernel-rt.src:LinuxKernel

若源里包含 kernel-rt 源碼，則可使用如下方式下載并安裝：

#yumdownloader--sourcekernel-rt.src
#rpm-ivhkernel-rt-5.10.0-60.18.0.rt62.52.oe2203.src.rpm&&cd~/rpmbuild

源碼目錄樹如下：

#tree
.
├──SOURCES
│├──cpupower.config
│├──cpupower.service
│├──extra_certificates
│├──kernel.tar.gz
│├──mkgrub-menu-aarch64.sh
│├──patch-5.10.0-60.10.0-rt62_openeuler_defconfig.patch
│├──patch-5.10.0-60.10.0-rt62.patch
│├──pubring.gpg
│├──sign-modules
│└──x509.genkey
└──SPECS
└──kernel-rt.spec

源碼部署

源碼獲取后，復(fù)制以下文件到自定義目錄：

#ll
total186M
-rw-r--r--.1rootroot185MApr214:27kernel.tar.gz
-rw-r--r--.1rootroot4.5KApr214:27patch-5.10.0-60.10.0-rt62_openeuler_defconfig.patch
-rw-r--r--.1rootroot773KApr214:27patch-5.10.0-60.10.0-rt62.patch

補(bǔ)丁合入步驟如下：

#tar-xzfkernel.tar.gz&&cdkernel
#patch-p1
#patch-p1

源碼編譯安裝：

#makeopeneuler_defconfig&&make-j`nproc`
#makemodules_install&&makeinstall
#grub2-mkconfig-o$GRUB_CONFIG_PATH

嵌入式系統(tǒng)部署方法

嵌入式部署 Preempt_RT 方法參見：

https://openeuler.gitee.io/yocto-meta-openeuler/features/preempt_rt.html

實(shí)時(shí)性能測(cè)試

測(cè)試環(huán)境

測(cè)試結(jié)果

基于上述硬件測(cè)試環(huán)境，在 CPU 隔離、空負(fù)載、CPU 負(fù)載、內(nèi)存負(fù)載、IO 負(fù)載和網(wǎng)卡負(fù)載等不同條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)：

「歸納如下：」

1. 通過(guò)表 6 數(shù)據(jù)可以判斷，在五種負(fù)載情況下并且 CPU 不隔離，RT 內(nèi)核比非 RT 內(nèi)核實(shí)時(shí)性要強(qiáng)。非 RT 內(nèi)核與 RT 內(nèi)核在 CPU 不隔離情況下，五種負(fù)載對(duì)應(yīng)峰值的比值如表 7(比值數(shù)據(jù)越大表明非 RT 內(nèi)核實(shí)時(shí)性越差)：

「以上數(shù)據(jù)表明，RT 內(nèi)核的峰值延遲普遍要優(yōu)于非 RT 內(nèi)核。」

2. 結(jié)合四種設(shè)備的峰值延遲來(lái)看，CPU 負(fù)載對(duì)實(shí)時(shí)性影響一般小于 IO 和內(nèi)存負(fù)載，而網(wǎng)卡負(fù)載影響最小。四種設(shè)備在兩種內(nèi)核下，CPU、內(nèi)存、IO 和網(wǎng)卡負(fù)載與空負(fù)載比值如表 8(比值越小越穩(wěn)定)：

「表 8 各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，RT 內(nèi)核在負(fù)載情況下，實(shí)時(shí)性較為穩(wěn)定?！?/strong>