软实时系统介绍¶

本章主要介绍openEuler Embedded软实时系统的特性说明，构建方式和性能测试。

软实时特性介绍¶

实时性简介

实时的诉求通常是事件的响应时间不能超过规定的期限，一个事件的最大响应时间应该是确定的、可以预测的。

PREEMPT_RT补丁简介

PREEMPT_RT补丁（以下简称RT补丁）可直接打在内核源码上，并通过内核配置选项 CONFIG_PREEMPT_RT=y 使能软实时功能。RT补丁实现的核心在于最小化内核中不可抢占部分的代码，从而使高优先级任务就绪时能及时抢占低优先级任务，减少切换时延。除此之外，补丁通过多种降低时延的措施，对锁、驱动等模块也进行了优化。

补丁关键功能举例

增加中断程序的可抢占性（中断线程化、软中断线程化）

增加临界区的可抢占性（如自旋锁）

增加关中断代码的可抢占性

解决优先级反转问题（优先级继承）

软实时镜像构建指导¶

根据 oebuild快速构建，初始化oebuild工作目录；
```
oebuild init <directory>
cd <directory>
oebuild update
```
进入oebuild工作目录，创建对应的编译配置文件，软实时镜像需要添加 -f openeuler-rt：
```
# arm64
oebuild generate -p qemu-aarch64 -f openeuler-rt -d <build_arm64_rt>

# RPI4
oebuild generate -p raspberrypi4-64 -f openeuler-rt -d <build_rpi_rt>

# x86
oebuild generate -p x86-64 -f openeuler-rt -d <build_x86_rt>
```
除了使用上述命令进行配置文件生成之外，还可以使用如下命令进入到菜单选择界面进行对应数据填写和选择，此菜单选项可以替代上述命令中的oebuild generate，选择保存之后继续执行上述命令中的bitbake及后续命令即可。
```
oebuild generate
```
具体界面如下图所示:
进入 <build> 目录，编译openeuler-image：
```
oebuild bitbake openeuler-image
```
Note
1. openEuler Embedded 软实时特性当前不支持 arm32 架构

验证软实时是否使能¶

使能软实时特性后，系统会带有 PREEMPT_RT 字样，可以通过以下命令进行判断：
$ uname -a
Linux openeuler ... SMP PREEMPT_RT Fri Mar 25 03:58:22 UTC 2022 aarch64 GNU/Linux

软实时性能测试¶

软实时相关测试

参考 RT-Tests 指导进行软实时相关测试，用例包括但不限于：

cyclictest 时延性能测试
pi_stress 优先级继承测试
hackbench 负载构造工具

下面以cyclictest 时延性能测试为例进行说明。

cyclictest 时延性能测试

Note

对于x86架构：

cyclictest工具依赖 libnuma.so ，而SDK中未提供该库，建议使用openEuler-Embedded构建容器（或其它x86环境）编译cyclictest，并将libnuma.so上传到环境的 /lib64/ 目录。

对于arm64架构：

可以参考下述步骤，使用SDK进行交叉编译。
准备开发环境

参考安装SDK
sh openeuler-glibc-x86_64-openeuler-image-aarch64-qemu-aarch64-toolchain-22.03.sh

. /path/to/sdk/environment-setup-aarch64-openeuler-linux
编译用例
git clone https://git.kernel.org/pub/scm/utils/rt-tests/rt-tests.git
cd rt-tests
git checkout stable/v1.0
make all
执行用例

编译完成后生成二进制 cyclictest，传入单板环境后可查看执行cyclictest时可配置的参数：
./cyclictest --help
cyclictest有多种参数配置方法，用例具体的入参设计可参考：test-design

输入示例：
./cyclictest -p 90 -m -i 100 -n -h 100 -l 10000000
输出示例：
# /dev/cpu_dma_latency set to 0us
policy: fifo: loadavg: 2.32 1.99 1.58 1/95 311

T: 0 (  311) P:90 I:100 C:10000000 Min:      7 Act:    9 Avg:    8 Max:      16
即用例循环1000万次后，平均时延为8us，最坏时延为16us（该数据仅为示例，具体以环境实测为准）。
Attention

如果树莓派4B的空载情况下，平均时延较差（如超过20us），可查看使用的树莓派固件是否将CPU频率配置为了节能模式，并根据需要将CPU频率配置为最高运行频率。如无cpufreq相关接口，则不涉及。

输入示例：
cat /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor
输出示例：
powersave
如上结果表示CPU频率为节能模式。

配置CPU最高运行频率，输入示例：
echo performance > /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor

软实时性能优化¶

性能优化的原则是：降低不确定性，提高可预期性。实时性能的优化是非常复杂的，涉及硬件底层架构特征、内核采用的机制策略，以及上层软件的编程设计等。以下介绍了x86平台的一些性能优化措施：

调整BIOS配置：关闭 Hyper-Threading, Intel SpeendStep.

添加内核启动参数：

Kernel Command Line

Description

intel_pstate=disable

禁用intel调频

nohalt idle=poll intel_idle.max_cstate=0 processor.max_cstate=1

避免CPU陷入深层次的省电睡眠状态

nowatchdog

关闭softlockup和hardlockup

mce=ignore_ce

忽略mce

clocksource=tsc tsc=reliable

指定tsc作为系统clocksource

修改虚拟内存统计周期： sysctl -w vm.stat_interval=120

除了上述的针对系统全局的配置修改外，还可以为某些核进行单独配置：

Kernel Command Line

Description

isolcpus=<cpu number>,…,<cpu number>

避免普通任务在指定CPU上调度运行

nohz_full=<cpu number>,…,<cpu number>

关闭指定CPU的tick

rcu_nocbs=<cpu number>,…,<cpu number>

卸载指定CPU的RCU回调任务

irqaffinity=<cpu number>,…,<cpu number>

配置中断亲缘性，默认由指定核处理中断

可以为某些核进行以上配置，再将实时任务进行绑核，以减少实时任务受到的干扰。例如：
Step1:
  # 修改cmdline以隔离出cpu2及cpu3:
  "isolcpus=2,3 nohz_full=2,3 rcu_nocbs=2,3 irqaffinity=0,1"

Step 2:
  # 将实时任务绑定到2核或3核
  taskset -c 2 ./realtime_task1
  taskset -c 3 ./realtime_task2

Note

openEuler-Embedded 可以通过修改boot分区的 grub.cfg 配置内核启动参数，例如：

vi /run/media/sda1/efi/boot/grub.cfg

# cmdline 为 "rw quiet"
menuentry 'boot'{
    linux /bzImage  root=PARTUUID=eaecae14-7021-4551-9183-29b0d210222f rw quiet
}

如果没有 /run/media/sda1/efi/boot/grub.cfg 可以使用 fdisk -l 查看磁盘分区，使用 mount 自行挂载 boot 分区。