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?前言

本文適用開發環境如下：

Windows開發環境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

虛擬機：VMware15.5.5

Linux開發環境：Ubuntu18.04.464bit

LinuxSDK：T113_Tina5.0-V1.0(Linux)

Kernel：Linux-RT-5.4.61

我司提供的Linux-RT內核應用了開源的RT PREEMPT機制進行補丁。PREEMPT_RT補丁的關鍵是最小化不可搶占的內核代碼量，同時最小化必須更改的代碼量，以便提供這種附加的可搶占性。PREEMPT_RT補丁利用Linux內核的SMP功能來添加這種額外的搶占性，而不需要完整的內核重寫。Linux-RT內核增加PREEMPT_RT補丁后，增加了系統響應的確定性和實時性，但是代價是CPU性能降低。

Linux-RT內核與普通Linux內核相比，幾個主要的相同之處是：

具有相同的開發生態系統，包括相同工具鏈、文件系統和安裝方法，以及相同的POSIX API等。

仍然存在內核空間和用戶空間的劃分。

Linux應用程序在用戶空間中運行。

Linux-RT內核與普通Linux內核在常規編程方式上的幾個主要不同之處是：

調度策略。

優先級和內存控制。

基于Linux-RT內核的應用程序使用了調度策略后，系統將根據調度策略對其進行調優。

Linux系統實時性測試

本章節主要介紹使用Cyclictest延遲檢測工具測試Linux系統實時性的方法。Cyclictest是rt-tests測試套件下的一個測試工具，也是rt-tests下使用最廣泛的測試工具，一般主要用來測試內核的延遲，從而判斷內核的實時性。

我司默認使用是的Linux內核，同時提供了Linux-RT內核位于產品資料“4-軟件資料LinuxKernelimagelinux-5.4-[版本號]-[Git系列號]nand”目錄下，請按照如下方法替換為Linux-RT內核。

將Linux-RT內核鏡像boot-rt.fex和Linux-RT內核配套的內核模塊目錄modules-rt拷貝至Ubuntu工作目錄下，執行如下命令，進入modules-rt目錄下將Linux-RT內核模塊壓縮包解壓。

Host# cd modules-rt/

Host# tar -zxf 5.4.61-rt37-gb1bd4aa.tar.gz

圖 1

將內核鏡像和解壓后的內核模塊拷貝至評估板文件系統任意目錄下。執行如下命令，分別替換內核鏡像和內核模塊至Linux系統啟動卡，評估板重啟生效。

備注：若使用eMMC配置評估板，請使用emmc目錄下的Linux-RT內核鏡像和Linux-RT內核模塊，并修改Linux系統啟動卡對應設備節點為"/dev/mmcblk1p4"。

Target# dd if=boot-rt.fexof=/dev/mmcblk0p4

Target# rm /lib/modules/* -rf

Target# cp 5.4.61-rt37-gb1bd4aa/ /lib/modules/ -r

Target# sync

Target# reboot

圖 2

圖 3Linux-RT內核

Cyclictest工具簡介

Cyclictest常用于實時系統的基準測試，是評估實時系統相對性能的最常用工具之一。Cyclictest反復測量并精確統計線程的實際喚醒時間，以提供有關系統的延遲信息。它可測量由硬件、固件和操作系統引起的實時系統的延遲。

為了測量延遲，Cyclictest運行一個非實時主線程（調度類SCHED_OTHER），該線程以定義的實時優先級（調度類SCHED_FIFO）啟動定義數量的測量線程。測量線程周期性地被一個到期的計時器（循環報警）所定義的間隔喚醒，隨后計算有效喚醒時間，并通過共享內存將其傳遞給主線程。主線程統計延遲值并打印最小、最大和平均延遲時間。

參考鏈接：https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/tools/cyclictest/start?s[]=cyclictest。

使用Cyclictest測試系統實時性

本次測試對比基于Linux-RT-5.4.61內核和Linux-5.4.61內核的Linux系統實時性。參照如下步驟，結合Iperf和Cyclictest工具測試系統的實時性。此處使用Iperf工具不斷觸發系統中斷，提高中斷處理負載，以便更好測試系統實時特性。

在Ubuntu執行如下命令查看IP地址，并以服務器模式啟動Iperf測試。

Host# ifconfig

Host# iperf-s

圖 4

分別使用Linux-RT-5.4.61內核和Linux-5.4.61內核啟動評估板，執行如下命令以客戶端模式啟動Iperf，并連接至服務器端（Ubuntu系統）。"192.168.1.209"為Ubuntu的IP地址，"-t3600"指定測試時間為3600秒，"&"表示讓程序在后臺運行。

Target# iperf -c 192.168.1.209 -d -t3600 > /dev/null 2>&1 &

圖 5

執行如下命令使用Cyclictest程序測試系統實時性。

Target# cyclictest -t5 -p98 -m -n -D10m

圖 7Linux-5.4.61內核測試結果

表 1Cyclictest測試結果說明

對比測試數據，可看到基于Linux-RT-5.4.61內核的系統的延遲更加穩定，平均延遲、最大延遲更低，系統實時性更佳。

Cyclictest命令參數解析可執行"cyclictest --help"查看，如下圖所示。

圖 8

圖 9

Linux-RT性能測試

本次測試分別在CPU空載、滿負荷（運行stress壓力測試工具）、隔離CPU核心的情況下，對比評估Linux-RT內核的系統實時性。

CPU空載狀態

評估板上電啟動，進入評估板文件系統執行如下命令，修改內核printk日志等級，避免內核打印信息影響實時測試。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

調整內存分配策略為“2”，禁用內存過度使用。避免出現OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進程而產生延遲，影響測試結果。

Target# echo 2 > /proc/sys/vm/overcommit_memory

圖 10

執行如下命令，基于CPU空載狀況下測試系統的實時性。測試指令需運行12小時，請保持評估板長時間穩定工作，測試完成后將生成統計結果output文件。

Target# cyclictest -m -n -Sp99 -i1000 -h800 -D12h -q > output

圖 11

參數解析：

-m：鎖定當前和將來的內存分配；

-n：使用clock_nanosleep；

-S：采用標準SMP測試；

-p：設置線程優先級；

-i：設置線程的基本間隔；

-h：運行后將延遲直方圖轉儲至標準輸出，亦可指定要跟蹤的最大延時時間（以微秒為單位）；

-D：指定測試運行時長，附加m（分鐘）、h（小時）、d（天）指定；

-q：運行時不打印相關信息；

CPU滿負荷狀態

評估板上電啟動，進入評估板文件系統執行如下命令，修改內核printk日志等級，避免內核打印信息影響實時測試。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

調整內存分配策略為“2”，禁用內存過度使用。避免出現OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進程而產生延遲，影響測試結果。

Target# echo 2 > /proc/sys/vm/overcommit_memory

圖 12

執行如下命令，運行stress壓力測試工具，使得CPU處于滿負荷狀態。再使用cyclictest工具測試CPU滿負荷狀態下的系統實時性能。測試指令需運行12小時，請保持評估板長時間穩定工作，測試完成后將生成統計結果output文件。

Target# stress --cpu 2--io 2--vm 2--vm-bytes 32M --timeout43200s &

Target# cyclictest -m -n -Sp99 -i1000 -h800 -D12h -q > output

圖 13

參數解析：

--cpu：指定壓力測試的進程個數；

--io：指定I/O測試的進程個數；

--vm：指定內存測試的進程個數；

--vm-bytes：指定每個內存測試進程中分配內存的大小；

--timeout：指定測試時長；

隔離CPU核心狀態

本次測試以隔離CPU1核心為例，通過降低系統上所運行的其他進程對隔離CPU1產生的延遲影響，確保CPU1進程的正常運行，進而評估Linux-RT內核的系統實時性。

評估板上電啟動后，在U-Boot倒計時結束之前按下空格鍵進入U-Boot命令行模式，執行如下命令，修改環境變量，隔離CPU1核心。

U-Boot# setenv setargs_sd setenv bootargs clk_ignore_unused initcall_debug=${initcall_debug} console=${console} loglevel=${loglevel} root=${sd_root} init=${init} partitions=${partitions} cma=${cma} snum=${snum} mac_addr=${mac} wifi_mac=${wifi_mac} bt_mac=${bt_mac} specialstr=${specialstr} gpt=1 isolcpus=1

U-Boot# setenv setargs_nand_ubi setenv bootargs ubi.mtd=${mtd_name} clk_ignore_unused initcall_debug=${initcall_debug} console=${console} loglevel=${loglevel} root=${nand_root} rootfstype=${rootfstype} init=${init} partitions=${partitions} cma=${cma} snum=${snum} mac_addr=${mac} wifi_mac=${wifi_mac} bt_mac=${bt_mac} specialstr=${specialstr} gpt=1 isolcpus=1

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

圖 14

備注：若為eMMC配置評估板，請執行如下命令，修改環境變量，隔離CPU1核心。

U-Boot# setenv setargs_emmc setenv bootargs clk_ignore_unused initcall_debug=${initcall_debug} console=${console} loglevel=${loglevel} root=${emmc_root} init=${init} partitions=${partitions} cma=${cma} snum=${snum} mac_addr=${mac} wifi_mac=${wifi_mac} bt_mac=${bt_mac} specialstr=${specialstr} gpt=1 isolcpus=1

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

進入評估板文件系統，執行如下命令，修改內核printk日志等級，避免內核打印信息影響實時測試。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

調整內存分配策略為“2”，禁用內存過度使用。避免出現OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進程而產生延遲，影響測試結果。

Target# echo 2 > /proc/sys/vm/overcommit_memory

圖 15

執行如下命令，運行stress壓力測試工具，使得CPU處于滿負荷狀態。再使用taskset工具將cyclictest測試程序運行在CPU1核心，測試CPU1核心滿負荷狀態下的系統實時性能。測試指令需運行12小時，請保持評估板長時間穩定工作，測試完成后將生成統計結果output文件。

Target# stress --cpu 2 --io 2 --vm 2 --vm-bytes 32M --timeout 43200s &

Target# taskset -c 0,1 cyclictest -m -n -Sp99 -i1000 -h800 -D12h -q > output

圖 16

統計結果分析

我司已提供腳本文件get_histogram.sh用于繪制統計結果直方圖，位于產品資料“4-軟件資料Demolinux-rt-demosCyclictestbin”目錄下，請將該腳本文件拷貝至Ubuntu工作目錄下。

圖 17

在Ubuntu系統執行如下命令，安裝gnuplot工具。

Host# sudo apt-get install gnuplot

圖 18

CPU空載狀態

請將CPU空載狀態下的統計結果output文件拷貝至Windows工作目錄，使用Windows文本工具打開該文件并拖動至文件末尾，可查看Linux系統每個核心(CPU0~CPU1)的最小延遲(MinLatencies)、平均延遲(AvgLatencies)、最大延遲(MaxLatencies)統計結果。

圖 19

請將CPU空載狀態下的統計結果output文件拷貝至Ubuntu，存放在get_histogram.sh同一目錄下。執行如下命令生成直方圖文件plot.png，請將其拷貝至Windows下并打開。

Host# ./get_histogram.sh

圖 20

圖 21

根據測試結果output文件數據以及結合直方圖，可得主要數據如下表。本次測試中，CPU1核心Max Latencies值最大，為59us，CPU0核心的Max Latencies值最小，為52us。

備注：測試數據與實際測試環境有關，僅供參考。

表 2

CPU滿負荷狀態

參考如上方法，分析CPU滿負荷狀態下的統計結果如下所示。本次測試中，CPU0核心Max Latencies值最大，為91us，CPU1核心的Max Latencies值最小，為75us。

圖 22

表 3

隔離CPU核心狀態

參考如上方法，分析隔離CPU核心狀態下的統計結果如下所示。本次測試中，CPU0核心Max Latencies值最大，為61us，隔離CPU1核心的Max Latencies值最小，為55us。

圖 23

表 4

根據CPU空載、CPU滿負荷、隔離CPU核心三種狀態的測試結果可知：當程序指定至隔離的CPU1核心上運行時，Linux系統延遲最低，可有效提高系統實時性。故推薦對實時性要求較高的程序（功能）指定至隔離的CPU核心運行。

rt_gpio_ctrl案例

案例說明

通過創建一個基本的實時線程，在線程內觸發LED的電平翻轉，同時程序統計實時線程的調度延時，并通過示波器測出LED電平兩次翻轉的時間間隔。由于程序默認以最高優先級運行，為避免CPU資源被程序完全占用，導致系統被掛起，因此在程序中增加100us的延時。程序原理大致如下：

（1）在Linux-RT內核上創建、使用實時線程。

（2）實時線程中，計算出觸發LED電平翻轉的系統調度延時。

案例測試

本小節測試以隔離CPU1核心為例，通過降低系統上所運行的其他進程對隔離CPU1產生的延遲影響，確保CPU1進程的正常運行，進而評估Linux-RT內核的系統實時性。

評估板上電啟動后，在U-Boot倒計時結束之前按下空格鍵進入U-Boot命令行模式，執行如下命令，修改環境變量，隔離CPU1核心。

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

圖 24

將案例bin目錄下的可執行文件拷貝至評估板文件系統，并執行如下命令運行測試程序，再按"Ctrl + C"退出測試，串口終端將打印程序統計的延遲數據，如下圖所示。

Target# sysctl kernel.sched_rt_runtime_us=-1

Target# taskset -c 1 ./rt_gpio_ctrl -t 10 -d 100

圖 25

同時使用示波器捕捉LED兩次電平翻轉之間的間隔就對應上線程調度的延遲，測試點為R46電阻一端。

圖 26

算出電平兩次翻轉的時間間隔為?x=104us，如下圖所示。由于程序中增加了100us的時間延時，因此實際延時時應為：104us– 100us= 4us，與程序統計打印的Latency results平均值5us相近。

圖 27

案例編譯

將產品資料“4-軟件資料Demolinux-rt-demosrt_gpio_ctrlsrc”案例源碼拷貝至Ubuntu。進入案例源碼目錄，執行如下命令，編譯案例生成可執行文件。

Host# CC=/home/tronlong/T113/tina5.0_v1.0/out/t113_i/tlt113-evm-nand/buildroot/buildroot/host/usr/bin/arm-linux-gnueabi-gccCXX=/home/tronlong/T113/tina5.0_v1.0/out/t113_i/tlt113-evm-nand/buildroot/buildroot/host/usr/bin/arm-linux-gnueabi-g++ make

備注：若使用eMMC配置評估板，請將命令中的"tlt113-evm-nand"改為"tlt113-evm-emmc"。