做公众号用什么网站吗,网盘搜索引擎,六安信息网,专业的网站开发服务linux--实时性优化 1 介绍2 实时性需求3 代表性实时系统4 嵌入式系统嵌入式软件系统结构处理器时钟节拍多任务机制任务调度方式任务调度算法时间片调度算法优先级调度算法基于优先级的时间片调度算法 5 cyclictest 测试工具命令说明命令分析参数含义 6 linux 实时性改进某版本上… linux--实时性优化 1 介绍2 实时性需求3 代表性实时系统4 嵌入式系统嵌入式软件系统结构处理器时钟节拍多任务机制任务调度方式任务调度算法时间片调度算法优先级调度算法基于优先级的时间片调度算法 5 cyclictest 测试工具命令说明命令分析参数含义 6 linux 实时性改进某版本上发布实时补丁或者内核改造打补丁【RT-patch】双内核【RT-Linux、RTAI、Xenomai】 时钟精度调整中断调整进程调度算法其他策略绑核 参考 1 介绍
Linux本身为分时操作系统其系统目标为较好的平均响应时间和较高的吞吐量而实时系统则主要考虑任务的按量完成、尽量降低进程运行的不可预测性等。
2 实时性需求
AGV、机械臂等机器人在控制伺服读取雷达、PGV等传感器数据时需要一定的实时性。如伺服控制周期要在 10ms 甚至更低这就需要相应线程工作时能稳定在相应周期内。
3 代表性实时系统
实时系统开源/商业地区μc/os-III商业国外FreeRTOS开源国外Vxworks商业国外RT-Thread开源国内Liteos开源国内
4 嵌入式系统
嵌入式软件系统结构
目前常见的嵌入式软件结构可以分为轮询系统、前后台系统和多任务系统。
ISR是Interrupt Service Routines的缩写即中断服务程序。
模型事件响应事件处理特点轮询系统主程序主程序轮询响应事件轮询处理事件前后台系统前台多个中断程后台单个主程序实时响应事件轮询处理事件多任务系统多个中断程序多个任务实时响应事件实时处理事件
处理器时钟节拍 多任务机制 在上图中任务 A 和任务 B 按照等长时间轮流占用处理器在单处理器上造成多 个任务同时运行的假象。
任务调度方式
任务调度方式可分为可抢占调度和不可抢占式调度两类。
基于优先级的可抢占式调度的实时性好任何优先级高的任务只要具备了运行的条 件即进入了就绪态就可以立即得到调度和运行。任务在运行过程中都随时可能被比它优先级高的任务抢占。这种方式的任务调度保证了系统的实时性。 上图演示了不可抢占内核中的任务执行情况。例子中有三个任务需要运行。系统的 执行流程如下
T0 时刻任务 C 得到处理器它开始执行。在它执行过程中任务 B 和任务 C 就 绪但是因为内核不支持抢占式调度所以它们只好等待机会。T1 时刻任务 C 完成操作主动让出处理器。内核选择任务 B 来运行T2 时刻任务 B 完成操作主动让出处理器。内核选择任务 A 来运行T3 时刻任务 A 完成操作主动让出处理器。内核再次选择任务 C 来运行
任务调度算法
时间片调度算法
指的是内核先让某个任务运行一个时间片多个时钟节拍然后再切换给另一个 任务。 缺点在任务占有处理器的时间段内即是有更紧急任务就绪也不能立刻执行它。
优先级调度算法
指的是内核总是让具有最高优先级的就绪任务优先运行。这种内核最大的提升了系统的实时性。 缺点当最高优先级任务在运行时它将持续占有处理器直到任务结束或者阻塞否则其它任务无法获得运行的机会。
基于优先级的时间片调度算法
吸收了以上两种算法的优点同时又解决了它们的不足。
这种算法为每个任务都安排了优先级和时间片。在不同优先级的任务间采用优先级调度算法在相同优先级的任务间使用时间片轮转调度算法。任务调度策略首先考虑任务的优先级优先级高的任务必定会抢占低优先级的任务。相同优先级的任务则按照时间片长度比例共享处理器时间。
这样既保证了能够尽快响应紧急任务又保证相优先级的任务都有机会轮流占有处理器。
5 cyclictest 测试工具
可以在centosubuntu加补丁的linux中使用。
命令说明
(base) rootorangepiaipro:/opt/worthsen/rt-tests# ./cyclictest --help
cyclictest V 1.00
Usage:
cyclictest options-a [NUM] --affinity run thread #N on processor #N, if possiblewith NUM pin all threads to the processor NUM
-A USEC --alignedUSEC align thread wakeups to a specific offset
-b USEC --breaktraceUSEC send break trace command when latency USEC
-B --preemptirqs both preempt and irqsoff tracing (used with -b)
-c CLOCK --clockCLOCK select clock0 CLOCK_MONOTONIC (default)1 CLOCK_REALTIME
-C --context context switch tracing (used with -b)
-d DIST --distanceDIST distance of thread intervals in us, default500
-D --durationTIME specify a length for the test run.Append m, h, or d to specify minutes, hours or days.--latencyPM_QOS write PM_QOS to /dev/cpu_dma_latency
-E --event event tracing (used with -b)
-f --ftrace function trace (when -b is active)
-F --fifopath create a named pipe at path and write stats to it
-h --histogramUS dump a latency histogram to stdout after the runUS is the max latency time to be be tracked in microsecondsThis option runs all threads at the same priority.
-H --histofallUS same as -h except with an additional summary column--histfilepath dump the latency histogram to path instead of stdout
-i INTV --intervalINTV base interval of thread in us default1000
-I --irqsoff Irqsoff tracing (used with -b)
-l LOOPS --loopsLOOPS number of loops: default0(endless)--laptop Save battery when running cyclictestThis will give you poorer realtime resultsbut will not drain your battery so quickly
-m --mlockall lock current and future memory allocations
-M --refresh_on_max delay updating the screen until a new maxlatency is hit. Userful for low bandwidth.
-n --nanosleep use clock_nanosleep--notrace suppress tracing
-N --nsecs print results in ns instead of us (default us)
-o RED --oscopeRED oscilloscope mode, reduce verbose output by RED
-O TOPT --traceoptTOPT trace option
-p PRIO --priorityPRIO priority of highest prio thread
-P --preemptoff Preempt off tracing (used with -b)--policyNAME policy of measurement thread, where NAME may be oneof: other, normal, batch, idle, fifo or rr.--priospread spread priority levels starting at specified value
-q --quiet print a summary only on exit
-r --relative use relative timer instead of absolute
-R --resolution check clock resolution, calling clock_gettime() manytimes. List of clock_gettime() values will bereported with -X--secaligned [USEC] align thread wakeups to the next full secondand apply the optional offset
-s --system use sys_nanosleep and sys_setitimer
-S --smp Standard SMP testing: options -a -t -n andsame priority of all threads--spiketrigger record all spikes trigger--spike-nodes[num of nodes]These are the maximum number of spikes we can record.The default is 1024 if not specified
-t --threads one thread per available processor
-t [NUM] --threadsNUM number of threads:without NUM, threads max_cpuswithout -t default 1--tracemark write a trace mark when -b latency is exceeded
-T TRACE --tracerTRACER set tracing functionconfigured tracers: hwlat blk function_graph wakeup_dl wakeup_rt wakeup function nop
-u --unbuffered force unbuffered output for live processing
-v --verbose output values on stdout for statisticsformat: n:c:v ntasknum ccount vvalue in us
-w --wakeup task wakeup tracing (used with -b)
-W --wakeuprt rt task wakeup tracing (used with -b)--dbg_cyclictest print info useful for debugging cyclictest
(base) rootorangepiaipro:/opt/worthsen/rt-tests#命令分析
参数完整参数参数含义常用的基本选项-a–affinity设置测试线程的亲核性或设置线程的cpuset-A–alignedUSECalign thread wakeups to a specific offset-d–distanceDIST当每个CPU上只有一个线程时建议将它设置为0。若CPU上有多个实时线程需要设置一个distance用来隔开线程唤醒的时间distance会累加到interval的值上默认是500us-D–durationTIME --latencyPM_QOS指定测试持续事件可以加单位 ‘m’ ‘h’ ‘d’ 分钟 小时 天 write PM_QOS to /dev/cpu_dma_latency-F–fifo在指定路径下创建一个管道用来向它写stats-i–intervalINTV线程睡眠的时间默认是1000us即实时线程1000us被唤醒一次-l–loopsLOOPS --laptop循环次数默认次数是0(无数次)cyclictest运行的时间等于interval×loops或是–durationTIME 省电模式运行cyclictest得到的结果相对不那么realtime。-m–mlockall将当前和接下来的内存通过mlock锁定防止发生swap影响测试-n–nanosleep --notrace使用精度更高的纳秒睡眠apiclock_nanosleep 抑制追踪的行为(因为ftrace会有一定的overhead)-p–priorityPRIO指定实时线程的优先级关于timer和时间的选项-c–clockCLOCK选择时钟类型。默认是0 0代表CLOCK_MONOTONIC 1代表CLOCK_REALTIME-N–nsecs测试结果使用精度更高的ns显示(默认是us)-r–relative使用相对时间的timer来代替绝对时间的timer-R–resolution --secaligned [USEC]check clock resolution. align thread wakeups to the next full second-s–system使用sys_nanosleep()和sys_setitimer()设置定时器-t–threads --tracemark每个处理器分配一个线程 write a trace mark when -b latency is exceeded-t–threadsNUM指定总线程数若不指定线程数等于max_cpus若不使用-t参数则线程数为1。-S–smp --smi标准smp架构测试所有的线程将使用相同的-a -t -n和优先级 Enable SMI counting关于输出打印的选项-h–histogramUS测试完成后输出一个直方图并输出延时小于US的次数统计。-H–histofallUS --histfile类似于-h输出一个柱状图 指定输出文件的路径-M–refresh_on_maxdelay updating the screen until a new max latency is hit. Userful for low bandwidth.-q–quiet测试结束后再输出结果-o–oscopeRED使用’示波器’模式以减少RED冗长的输出信息-u–unbufferedforce unbuffered output for live processing-v-verbose把测试信息输出到stdouttracing相关的选项-b–breaktraceUSEC当出现大于USEC的延时后立即退出测试-O–traceoptTOPTtrace option-T–tracerTRACER(同-b一起使用)用来指定ftrace的tracer类型例如function_graph function nop blk-B–preemptirqs(同-b一起使用)追踪preempt和irqoff-E–event(同-b一起使用)进行event tracing-I–irqsoff(同-b一起使用)追踪irqsoff-P–preemptoff --policyNAME --priospread(同-b一起使用)追踪Preempt off 设置实时进程的调度策略other, normal, batch, idle, fifo or rr. spread priority levels starting at specified value-w–wakeup(同-b一起使用)追踪wakeup-f–ftrace(同-b一起使用)使用ftrace-C–context(同-b一起使用)追踪context switch-W–wakeuprt --dbg_cyclictest(同-b一起使用)追踪wakeuprt。 打印cyclictest的调试信息。
参数含义
T线程P线程优先级C计数器。线程的时间间隔每达到一次计数器加1I时间间隔(us)Min最小延时(us)Act最近一次的延时(us)Avg平均延时(us)Max最大延时(us)
6 linux 实时性改进
目前影响Linux内核实时性因素主要有时钟精度、系统中断、进程调度算法和内核可抢占性等。
某版本上发布实时补丁或者内核改造
性能直接修改内核直接修改内核双内核双内核双内核RT-patch其他RT-LinuxRTAIxenomai实时性好差好较好较好硬件支持较好好一般一般较好API丰富一般一般一般丰富维护难度易易难难难社区活跃度较好差较差一般良好用户态实时任务支持支持不支持支持支持内核实时任务不支持不支持支持支持支持
打补丁【RT-patch】
双内核【RT-Linux、RTAI、Xenomai】
代表有RT-Linux、RTAI(Real-Time Application Interface)和Xenomai。 RT-Linux(Real-Time Linux)【停止更新】 采用了双内核的做法。简单理解就是系统中存在两个内核实时核和非实时核。底层硬件资源和实时的内核打交道绕开非实时核来自硬件的中断源由实时核全面接管 Xenomai【更新中】 借鉴了RT-Linux的双内核做法内部也有实时核和非实时核。但不同的是Xenomai在底层硬件和两个内核之间还加了一层硬件抽象层ADEOS(Adoptive Domain Environment for Operating System)实时核和非实时核作为硬件抽象层的两个域而存在Xenomai内核属于实时域Linux内核属于非实时域。ADEOS在系统的关键路径中对中断进行拦截优先响应Xenomai实时域的中断当没有实时任务和中断需要处理的时候才会轮到Linux内核执行。两者对比如下。 RTAI 同样借鉴RT-Linux。
时钟精度调整
提升时钟精度系统中的调度会加快优点是进程的响应提高缺点进程切换开销增加要根据具体使用场景来评估合理性。
中断调整
RTOS和Linux中硬件中断的响应优先级永远是最高的。
OrangePi AIpro(8T) 开发板【昇腾310B4】查看系统的所有中断
cat /proc/interrupts(base) rootorangepiaipro:~# cat /proc/interruptsCPU0 CPU1 CPU2 CPU39: 0 0 0 0 GICv3 25 Level vgic11: 0 0 0 0 GICv3 30 Level kvm guest ptimer12: 0 0 0 0 GICv3 27 Level kvm guest vtimer13: 4728702 1741435 1607592 1272102 GICv3 26 Level arch_timer14: 1 0 0 0 GICv3 201 Level uart-pl01115: 0 0 0 0 GICv3 298 Level c42e0000.watchdog18: 0 0 0 0 GICv3 23 Level arm-pmu19: 1 0 0 0 GICv3 319 Edge APEI:HED20: 0 0 0 0 GICv3 177 Level gpio21: 0 0 0 0 GICv3 178 Level gpio22: 0 0 0 0 GICv3 179 Level gpio23: 0 0 0 0 GICv3 181 Level gpio24: 0 0 0 0 GICv3 182 Level gpio25: 0 0 0 0 GICv3 183 Level gpio26: 0 0 0 0 GICv3 249 Edge hns3-a7100000.xge0-TxRx-027: 0 0 0 0 GICv3 250 Edge hns3-a7100000.xge0-TxRx-228: 0 0 0 0 GICv3 251 Edge hns3-a7100000.xge0-TxRx-429: 0 0 0 0 GICv3 252 Edge hns3-a7100000.xge0-TxRx-642: 0 0 0 0 GICv3 265 Level hnsplf-abn-a7100000.xge043: 1 0 0 0 GICv3 269 Level hnsplf-mac-a7100000.xge044: 0 0 0 0 GICv3 241 Level hnsplf-rtc-a7100000.xge054: 5 0 0 0 GICv3 133 Level dvpp_ipcm055: 0 0 0 0 GICv3 134 Level dvpp_ipcm156: 0 0 0 0 GICv3 135 Level dvpp_ipcm258: 0 0 0 0 GICv3 286 Level MIPI_RX59: 0 0 0 0 GICv3 291 Level SLVS_EC60: 8 0 0 0 GICv3 290 Level tc_ns_client61: 0 0 0 0 GICv3 279 Level hisi-i2c62: 0 0 0 0 GICv3 280 Level hisi-i2c63: 0 0 0 0 GICv3 281 Level hisi-i2c64: 0 0 0 0 GICv3 282 Level hisi-i2c65: 158 0 0 0 GICv3 185 Level hisi-i2c66: 0 0 0 0 GICv3 186 Level hisi-i2c67: 0 0 0 0 GICv3 187 Level hisi-i2c68: 27 0 0 0 GICv3 188 Level hisi-i2c69: 448 0 0 0 GICv3 189 Level hisi-i2c70: 0 0 0 0 GICv3 192 Level hisi-i2c71: 0 0 0 0 GICv3 193 Level 82020000.spi072: 0 0 0 0 GICv3 194 Level 82030000.spi173: 0 0 0 0 GICv3 283 Level 3001b0000.spi374: 0 0 0 0 GICv3 284 Level 3001c0000.spi475: 0 0 0 0 GICv3 195 Level c40b0000.spi580: 0 0 0 0 ITS-pMSI 75776 Edge arm-smmu-v3-evtq81: 0 0 0 0 ITS-pMSI 75777 Edge arm-smmu-v3-gerror82: 0 0 0 0 ITS-pMSI 77824 Edge arm-smmu-v3-evtq83: 0 0 0 0 ITS-pMSI 77825 Edge arm-smmu-v3-gerror84: 0 0 0 0 ITS-pMSI 79872 Edge arm-smmu-v3-evtq85: 0 0 0 0 ITS-pMSI 79873 Edge arm-smmu-v3-gerror86: 0 0 0 0 ITS-pMSI 81920 Edge arm-smmu-v3-evtq87: 0 0 0 0 ITS-pMSI 81921 Edge arm-smmu-v3-gerror88: 0 0 0 0 ITS-pMSI 83968 Edge arm-smmu-v3-evtq89: 0 0 0 0 ITS-pMSI 83969 Edge arm-smmu-v3-gerror90: 0 0 0 0 ITS-pMSI 86016 Edge arm-smmu-v3-evtq91: 0 0 0 0 ITS-pMSI 86017 Edge arm-smmu-v3-gerror92: 0 0 0 8 mbigen-v2 916 Level mmc093: 48205 0 0 0 mbigen-v2 917 Level mmc195: 0 1 0 0 ITS-MSI 0 Edge PCIe PME, aerdrv, pciehp96: 0 0 0 0 mbigen-v2 699 Level mailbox-0-lp-rx-acpu097: 0 0 0 3089 mbigen-v2 700 Level mailbox-1-lp-rx-acpu198: 69 0 0 0 mbigen-v2 701 Level mailbox-2-lp-rx-acpu299: 0 5 0 0 mbigen-v2 702 Level mailbox-3-lp-rx-acpu3
100: 0 0 0 0 mbigen-v2 628 Level ts_ipc_done_interrupt
101: 0 0 0 0 mbigen-v2 629 Level ts_ipc_done_interrupt
102: 0 0 0 0 mbigen-v2 630 Level ts_ipc_done_interrupt
103: 0 0 0 0 mbigen-v2 631 Level ts_ipc_done_interrupt
104: 0 0 0 0 mbigen-v2 632 Level ts_ipc_done_interrupt
105: 0 0 0 0 mbigen-v2 633 Level ts_ipc_done_interrupt
106: 0 0 0 0 mbigen-v2 634 Level ts_ipc_done_interrupt
107: 0 0 0 0 mbigen-v2 635 Level ts_ipc_done_interrupt
108: 0 0 0 0 mbigen-v2 636 Level mailbox-8-ts-rx-acpu0
109: 0 0 0 0 mbigen-v2 637 Level mailbox-9-ts-rx-acpu1
110: 0 0 0 0 mbigen-v2 638 Level mailbox-10-ts-rx-acpu2
111: 0 5 0 0 mbigen-v2 639 Level mailbox-11-ts-rx-acpu3
112: 0 0 0 0 mbigen-v2 594 Level irq_route_to_ts
113: 0 0 0 0 mbigen-v2 595 Level irq_route_to_ts
114: 0 0 0 0 mbigen-v2 596 Level irq_route_to_ts
115: 0 0 0 0 mbigen-v2 597 Level irq_route_to_ts
116: 0 0 0 0 mbigen-v2 598 Level irq_route_to_ts
117: 0 0 0 0 mbigen-v2 599 Level irq_route_to_ts
118: 0 0 0 0 mbigen-v2 600 Level irq_route_to_ts
119: 0 0 0 0 mbigen-v2 601 Level irq_route_to_ts
120: 0 0 0 0 mbigen-v2 602 Level irq_route_to_ts
121: 0 0 0 0 mbigen-v2 603 Level irq_route_to_ts
122: 0 0 0 0 mbigen-v2 604 Level irq_route_to_ts
123: 0 0 0 0 mbigen-v2 605 Level irq_route_to_ts
124: 0 0 0 0 mbigen-v2 606 Level irq_route_to_ts
125: 0 0 0 0 mbigen-v2 607 Level irq_route_to_ts
126: 0 0 0 0 mbigen-v2 608 Level sq_trigger
127: 15 0 0 0 mbigen-v2 609 Level trs-mbox-0-0
128: 1551 0 0 0 mbigen-v2 610 Level maint_cq
132: 0 0 0 0 mbigen-v2 614 Level cqe_done
138: 0 0 0 0 mbigen-v2 620 Level topic_sched_ccpu
141: 0 0 0 0 mbigen-v2 623 Level topic_sched_aicpu
146: 0 0 0 0 mbigen-v2 934 Level VI_CAP0
147: 0 0 0 0 mbigen-v2 935 Level VI_PROC0
148: 0 0 0 0 mbigen-v2 936 Level VPSS
155: 0 0 0 0 mbigen-v2 663 Level VEDU_0
156: 0 0 0 0 mbigen-v2 665 Level VEDU_1
160: 0 0 0 0 mbigen-v2 831 Level VGS
161: 0 0 0 0 mbigen-v2 830 Level GDC
162: 0 0 0 0 mbigen-v2 590 Level asp_dma_irq
163: 0 0 0 0 mbigen-v2 918 Level xhci-hcd:usb1
164: 0 695298 0 0 mbigen-v2 922 Level xhci-hcd:usb3
165: 0 0 1152 0 mbigen-v2 926 Level xhci-hcd:usb5
166: 0 190 0 0 mbigen-v2 930 Level xhci-hcd:usb7
167: 0 0 0 0 gpio-dwapb 2 Edge drv_power_off
168: 0 0 568143 0 mbigen-v2 910 Level DRM_0
IPI0: 753334 324877 530484 343726 Rescheduling interrupts
IPI1: 1424 6291 6018 12370 Function call interrupts
IPI2: 0 0 0 0 CPU stop interrupts
IPI3: 0 0 0 0 CPU stop (for crash dump) interrupts
IPI4: 0 0 0 0 Timer broadcast interrupts
IPI5: 0 0 0 0 IRQ work interrupts
IPI6: 0 0 0 0 CPU wake-up interrupts
IPI7: 0 0 0 0 User function call interrupts
Err: 0
(base) rootorangepiaipro:~#将某中断绑定到某CPU
echo 1 /proc/irq/30/smp_affinity进程调度算法
Linux系统目前默认采用的是完全公平调度算法CFS它按照各个进程的权重来分配运行时间。
使用CFS的情况下我们可以给有实时性需求的进程分配更高的优先级和权重。
Linux内核目前支持的调度类有stop、deadline、realtime、CFS、idle。、它们的优先级依次由高到底排序。
deadline调度类包含如下调度策略
SCHED_DEADLINE
realtime调度类包含如下调度策略
SCHED_FIFOSCHED_RR
CFS调度类包含如下调度策略
SCHED_NORMAISCHED_BATCHSCHED_IDLE
其他策略绑核
如果核多可以将实时性要求高的进程绑核。
参考
1、深入理解与实现 RTOS 2、FreeRTOS–中断管理 3、嵌入式Linux实时系统的特点和Linux内核在实时应用方面的不足 4、浅谈Linux内核的实时性优化 5、xenomai内核解析之嵌入式实时linux概述 6、开源IgH EtherCAT主站方案基于IMX8、ZYNQ、AM335x、T3等平台 7、树莓派给内核打上实时补丁RT-patch 8、关于RK3568 Linux内核打实时补丁RT Preempt介绍 9、Linux RT补丁/分析/性能测试(Ubuntu) 10、cyclictest的交叉编译、原理与测试
