【原创】xenomai3+linux构建linux实时操作系统-基于X86_64和arm

最近接触实时系统Xenomai，该文章整理记录X86 ubuntu环境下xenomai 内核编译、xenomai应用环境搭建步骤，其他硬件架构（如arm、arm64）类似，先在X86上安装好环境才能更好的开发验证xenomai程序吧，更多信息见文末参考链接，希望对你有所帮助。

一、概要

xenomai是众多inux实时性解决方案中的一种，通过在linux的基础上添加一个RTOS内核cobalt，来提高linux的实时性。实时内核cobalt与非实时内核linux相结合，既能提供工业级RTOS的硬实时性能，又能利用linux操作系统非常出色的网络和图形界面服务，在产品的开发周期和成本控制方面都有巨大优势，结构如下：

主要有3部分，xenomai的移植构建也是围绕这三部分来进行：

用户空间中的实时应用程序库libcobalt；
内核空间中的实时内核Cobalt；
硬件架构与Linux内核版本相关层 ipipe-core或dovetail。

libcobalt和Cobalt的源码随xenomai更新，位于同一源码包内，ipipe-core和dovetail则与硬件架构和具体linux版本相关，以补丁的方式提供，需要单独下载；

由于一些ipipe维护困难的关系，从linux5.4以上版本不再提供ipipe，ipipe由dovetail替代。

所以如果你的linux内核版本在5.4以上版本的话需要使用dovetail。

总的来说，ipipe-core和dovetail实现必要功能的同时，也是xenomai与硬件架构、linux版本间的解耦层，社区提供了常见架构下各linux版本的补丁。xenomai的移植步骤如下：

准备好ipip-core或dovetail补丁，对linux5.4以下版本使用ipipe-core，linux5.4以上版本需要dovetail替代。
打cobalt内核补丁，编译构建内核。
libcobalt库编译安装，设置环境变量。

步骤1中的源码文件也可直接从xenomai维护分支直接拉取，直接对拉取的代码进行步骤2、3即可（不建议自己打补丁，最好使用 xenomai 维护的内核分支）。

ipip-core:

ARM: https://xenomai.org/gitlab/ipipe-arm

ARM64: https://xenomai.org/gitlab/ipipe-arm64

PPC32: https://xenomai.org/gitlab/ipipe-ppc32

x86: https://xenomai.org/gitlab/ipipe-x86

dovetail:

https://source.denx.de/Xenomai/linux-dovetail

可以看到dovetail已经不区分ARM、X86了，dovetail区别与ipipe，ipipe是与linux中断管理分离，linux中断管理在其之上，ipipe部分需要大量直接对接arch部分的代码，这样主线内核代码的不断变化会导致社区开发人员需要对每个linux主线版本做适配和支持，这也就是为什么我们在构建xenomai系统时需要ipipe与linux版本匹配的原因，同时也可以看到，ipipe支持的版本总是落后于linux主线版本（大家应该联想到逐步合入主线的PREEMT-RT了吧）。

dovetail区别与ipipe，它是在已有linux中断管理代码上进行扩展，为实时核提供与ipipe相同的功能，这样可以随着主线发展，与架构相关的代码大大减少，大大降低了社区维护工作量，同时linux主线稳定版本确定后能第一时间进行支持，对它们的对比介绍详情可见xenomai官网和EVL project。

注意：文章中内核版本、ipipe版本仅作为构建步骤说明，不保证编译正常，笔者示例是做一些额外修复完成构建的，请根据文章提示，选择适合你需求的版本

二、环境准备

1.1 安装内核编译工具

编译Linux内核需要的工具包如下，可能不全，可根据编译时的错误提示安装缺少的工具。

 sudo apt-get install gcc libncurses-dev flex bison openssl-dev libssl-dev dkms fuse libelf-dev libudev-dev libpci-dev libiberty-dev build-dep findutils autotools-dev autoconf automake libtool pkg-config libltdl-dev

1.2 准备内核及补丁文件

内核：下载linux源码，linux内核源码网址：https://www.kernel.org/

对于需要使用ipipe补丁文件的内核版本：下载与linux版本对应的ipipe-core补丁，最好先浏览https://source.denx.de/Xenomai/download-archive/-/tree/main/ipipe或https://ftp.denx.de/pub/xenomai/ 看xenomai提供了哪些linux版本的补丁，再去下载对应linux内核源码。

对于5.4以上的内核版本：https://source.denx.de/Xenomai/download-archive/-/tree/main/dovetail 中选取对应内核版本的dovetail补丁。

xenomai内核源码包：到xenomai官网下载最新xenomai源码包。

对于ipipe，本文选用以下版本作为示例：

linux kernel:linux-4.19.114.tar.xz
ipip-core：ipipe-core-4.19.114-cip24-x86-12.patch
xenomai：xenomai-3.1.tar.bz2

一般来说，如果没有找到与你使用的内核版本一致的ipipe-core补丁，linux相近版本linux-4.19.zzz，只要版本zzz跨度不大，也可使用相近的补丁代替，但是不能保证与指定版本一致，可能有bug，若对xenomai地层不熟悉，用于生产环境最好还是指定版本。

关于补丁，有很多同学问我为什么打补丁失败，需要说明的是，Xenomai 是基于主线内核进行开发的，即由 Linus Torvalds 领导维护的核心内核版本。然而，主线内核并不能涵盖所有的系统级芯片（SoC）支持，尤其是 ARM 架构。全球范围内有众多 ARM 芯片制造商，如 NXP、TI、瑞芯微、全志等，尽管这些芯片共享相同的 CPU 核心，但其外设却大相径庭。因此，主线内核无法全面支持所有 SoC，尤其对于国内的芯片来说，几乎找不到完全兼容的实例。这一现象背后的原因复杂多样，不过目前国内部分头部芯片厂商正积极将他们的板级支持包（BSP）整合到主线内核中。相比之下，X86 架构由于其良好的设计兼容性以及 Intel 对 Linux 的大力支持，使得主线内核能够较为容易地实现广泛支持。
芯片厂商提供的SDK包内核，是在主线内核的基础上开发了芯片bsp，添加了很多芯片厂商自己开发的功能特性，因此，当尝试将 Xenomai 补丁应用于这些 SDK 内核时，会遇到很多冲突需要自己去解决，很多bug，某些外部设备的驱动程序可能还需单独开发，除非芯片厂商对他们SDK内核版本提供了xenomai的支持，比如飞腾。

对于dovetail，由于使用的ubuntu环境内核为linux 5.13，使用社区仓库中的dovetail 5.13分支(或者读者下载内核源码和与之匹配的dovetail补丁也是可以的，这里只是示例，不建议使用5.13，详见3.2 打dovetail补丁小节)，示例如下：

linux kernel:linux-5.13.0.tar.xz
dovetail：patch-5.13-dovetail1.patch
xenomai：xenomai-3.2.1.tar.bz2

说明：笔者将上面的文件，统一放到了/home/work/xenomai(家目录~)目录下。文中涉及绝对路径时，还请读者注意。

xenomai的几个长期支持版：

ipipe: linux 4.4、linux-4.19、linux 5.4
dovetail: linux 5.10、linux 5.15+
其中xenomai 3.2只支持linux 4.19以上版本，Xenomai 3.1支持的最后一个内核版本是5.4

三、内核安装流程

3.1 打ipipe补丁

设置针对5.4版本以下内核使用ipipe的配置示例，如果你使用的是dovetail请看3.2小结。

解压linux内核源码：

$tar -xvf linux-4.19.114.tar.xz

进入linux内核源码目录打ipipe补丁：

$cd linux-4.19.114
$patch -p1 < ../ipipe-core-4.19.114-cip24-x86-12.patch

3.2 打dovetail补丁

先克隆社区dovetail仓库：

git clone https://source.denx.de/Xenomai/linux-dovetail.git

切换到5.13分支：

git chech v5.13-dovetail-rebase

注：对于5.13只有v5.13-dovetail-rebase分支，最好选用长期支持版，否则编译等都有问题。

这样就可以了，等会在该仓库进行xenomai内核编译。

或者与3.1一样，下载内核源码与之对应的dovetail补丁https://source.denx.de/Xenomai/download-archive/-/tree/main/dovetail?ref_type=heads下patch-5.13-dovetail1.patch.bz2，进行：

解压linux内核源码：

注：这里使用的ubuntu发新版内核。

$tar -xvf linux-source-5.13.tar.bz2

进入linux内核源码目录打ipipe补丁：

$cd linux-5.13
$patch -p1 < ../patch-5.10.76-dovetail1.patch

3.3 添加xenomai内核

解压xenomai源码包:

$tar -xvf xenomai-3.1.tar.bz2

进入xenomai源码目录xenomai-3.1/scripts,使用脚本prepare-kernel.sh对linux内核源码打cobalt内核补丁；

$cd xenomai-3.1/scripts

脚本prepare-kernel.sh使用帮助如下：

$ ./prepare-kernel.sh --help
usage: prepare-kernel --linux=<linux-tree> --ipipe=<ipipe-patch> [--arch=<arch>] [--outpatch=<file> [--filterkvers=y|n] [--filterarch=y|n]] [--forcelink] [--default] [--verbose]

其中主要参数为：

--linux=指定linux源码的绝对路径；

--ipipe=指定ipipe补丁。如果已经手动对linux源码打ipipe补丁，则不需要指定该参数。

--arch=指定硬件架构，x86_64、arm、arm64

outpatch=指定输出xenomai patch（绝对路径）。默认情况下如果不使用该参数，prepare-kernel.sh打cobalt内核补丁时，只会在linux源码目录建立与cobalt源码的软连接文件，这样的话，如果xenomai源码移动了就会有很多问题，所以推荐使用该参数生成xenomai内核的补丁，再去对linux使用该补丁。这样linux源码内的cobalt内核相关源码文件就不是链接文件了，今后再次构建时也直接使用该补丁，省事。

我们在上一个步骤已经对linux源码打了ipipe补丁，这里就只使用prepare-kernel.sh生成cobalt内核的补丁cobalt-core-3.1-4.19.114.patch，再对linux内核源码使用该补丁。

$./prepare-kernel.sh --linux=/home/work/xenomai/linux-4.19.114 --arch=x86_64 --outpatch=/home/work/xenomai/cobalt-core-3.1-4.19.114.patch

回到linux源码目录使用补丁：

$cd /home/work/xenomai/linux-4.19.114
$patch -p1 < ../cobalt-core-3.1-4.19.114.patch

到此，内核源码已经制作完毕。下面开始配置编译内核。

3.4 xenomai 内核配置

xenomai基于linux，xenomai作为一个小的实时核存在，许多硬件配置是linux 驱动掌管的，比如内存、电源管理，所以必须让linux配置好，给xenomai提供一个好的软硬件环境。

3.4.1 ipipe xenomai 内核配置

设置针对5.4版本以下内核使用ipipe的配置示例，如果你使用的是dovetail请看3.4.2小结。

这里示范使用的是内核默认的x86_64_deconfig文件。

注意：使用默认config文件，会包很多无用的驱动，编译会占用很多时间，然而裁剪驱动需要对内核各模块熟悉，且需要大量时间。对于新手来说，快捷的办法是找一个发行版(如Ubuntu)，从相近版本内核安装包中提取config文件，在该config基础上进行xenomai配置，这样比较好。

$makeolddefconfig
$make menuconfig

进入menuconfig界面，会看影响xenomai实时性的警告信息：

 *** WARNING! Page migration (CONFIG_MIGRATION) may increase *** 
 *** latency. ***                                                         
 *** WARNING! At least one of APM, CPU frequency scaling, ACPI 'processor' ***
 *** or CPU idle features is enabled. Any of these options may ***     
 *** cause troubles with Xenomai. You should disable them. ***

依次进行如下配置：

General setup  --->
 	Preemption Model (Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop))  ---> 
 		(X) Low-Latency Desktop
 	(-xeno-3.2.1)Local version - append to kernel release
 		
Processor type and features  --->
 	Processor family (Core 2/newer Xeon)  ---> 
 		(X) Core 2/newer Xeon 
 	[*] Multi-core scheduler support                                                             
                [ ] CPU core priorities scheduler support 
 	
Power management and ACPI options  --->
	CPU Frequency scaling  --->
		[ ] CPU Frequency scaling
	[*] ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) Support  ---> 
		< > Processor 
 	CPU Idle  --->
 		[ ] CPU idle PM support

Memory Management options  --->
	[ ] Contiguous Memory Allocator
	[ ] Transparent Hugepage Support
	[ ] Allow for memory compaction
	[ ] Page migration 
	
Microsoft Hyper-V guest support  --->                                              
	< > Microsoft Hyper-V client drivers

说明：设置LOCALVERSION 是为了启动时好分辨是xenomai内核还是普通linux内核。

到此内核基本配置完毕，要充分发挥xenomai的实时性的配置远不止于此，还需要对linux进行深度配置，那是优化的事情，以后再说，下面开始进行内核编译。

3.4.2 dovetail xenomai 内核配置

由于ubuntu内核也是5.13，这里复用ubuntu自带内核的config文件，在此文件上进行xenomai内核配置文件。

cp /boot/config-5.13.0-30-generic ./.config

注意：使用挨默认config文件，会包很多无用的驱动，编译会占用很多时间，然而裁剪驱动需要对内核各模块熟悉，且需要大量时间。对于新手来说，快捷的办法是找一个发行版(如Ubuntu)，从相近版本内核安装包中提取config文件，在该config基础上进行xenomai配置，这样比较好。

$make menuconfig

配置过程与3.4.1 小节一致。

3.4 内核编译与安装

对于ipipe或者dovet，后面的步骤是一样的，不再重复说明。

a) 编译构建xenomai内核debian安装包

对于基于debian衍生的发行版(如debian、Ubuntu、elementary、OpenGEU，Linux Mint等)来说，内核编译安装比较简单，使用以下命令，可直接编译生成用于安装的debian包(.deb)，安装过程也无需额外设置，若读者使用的不是Ubuntu系统，请看后面的分步安装内核。

$sudo apt-get install dpkg-deb fakeroot kernel-package
$ CONCURRENCY_LEVEL=$(nproc) make-kpkg  --rootcmd fakeroot --initrd  --revision=1.0.0 kernel_image kernel_headers

或者

$ make -j$(nproc) deb-pkg

编译时间取决于主机配置，编译完成后会在源码目录的上级目录生成内核安装包，笔者这里如下：

$ls
linux-headers-4.19.114_1.0.0_amd64.deb linux-image-4.19.114_1.0.0_amd64.deb

使用dpkg命令安装内核(需要超级权限)：

$sudo dpkg -i linux-headers-4.19.114_1.0.0_amd64.deb linux-image-4.19.114_1.0.0_amd64.deb

安装后直接重启，grub高级选项中选择新安装的内核启动即可。

若不想使用deb的方式安装，也可通过如下步骤安装：

编译：

$make -j$(nproc)

使用-j启动多线程编译，其中命令nproc得到机器逻辑CPU核数。编译后编译内核模块：

$make modules_install

安装：

$sudo make install
$sudo mkinitramfs -o /boot/initrd.img-4.18.14 
$sudo update-initramfs -c -k 4.18.14

配置grub引导：

$sudo update-grub

b) 分步编译内核并安装

上面的步骤只适用于基于debian衍生的X86系统，其中诸如命令update-grub其实是对原始的装步骤的脚本封装，更为原始的内核编译安装步骤如下，理论上支持所有x86系统。

编译

$make -j$(nproc)

使用-j启动多线程编译，其中命令nproc得到机器逻辑CPU核数。编译后编译内核模块：

$make modules_install

安装

拷贝内核到/boot目录

$sudo cp -iv arch/x86/boot/bzImage /boot/vmlinuz-4.19.114-xenomai-3.1.1

拷贝内核符号文件System.map（可省略）：

$sudo cp -iv System.map /boot/System.map-4.19.114-xenomai-3.1.1

拷贝.config文件（可省略）：

$sudo cp -iv .config /boot/config-4.19.114-xenomai-3.1.1

安装内核文档（可省略）:

$sudo install -d /usr/share/doc/linux-4.19.114
$sudo cp -r Documentation/* /usr/share/doc/linux-5.5.3

配置grub引导：

$sudo grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

安装后直接重启，grub高级选项中选择新安装的内核启动即可，下面编译安装用户空间实时库libcobalt。

四、安装xenomai库

4.1 编译安装实时库libcobalt

同样，如果你使用的是Ubuntu系统的话，xenomai库可直接编译生成安装包，否则的话需要一步一步配置编译、安装、设置环境变量。

a) 编译构建xenomai库debian安装包

进入xenomai源码目录：

$cd /home/work/xenomai/xenomai-3.1.1

编译

直接执行debain包编译命令：

$debuild -us -uc
若找不到该命令则需要安装
$sudo  apt-get install devscripts debhelper

编译后同样会在上级目录生成debian安装包如下：

$ ls xenomai*.deb

libxenomai1_2.99.0_amd64.deb       xenomai-kernel-source_2.99.0_all.deb
libxenomai-dev_2.99.0_amd64.deb     xenomai-runtime_2.99.0_amd64.deb

libxenomai1_2.99.0_amd64.deb：Xenomai的共享库；

xenomai-kernel-source_2.99.0_all.deb：xenomai内核源码；

libxenomai-dev_2.99.0_amd64.deb ：xenomai头文件和静态库；

xenomai-runtime_2.99.0_amd64.deb：xenomai运行时组件；

对于开发环境，需要安装xenomai-kernel-source_2.99.0_all.deb和libxenomai-dev_2.99.0_amd64.deb，对于生产系统，只需要安装xenomai-runtime_2.99.0_amd64.deb和libxenomai1_2.99.0_amd64.deb。

安装

直接使用dpkg安装：

sudo dpkg -i libxenomai1_2.99.0_amd64.deb       xenomai-kernel-source_2.99.0_all.deb libxenomai-dev_2.99.0_amd64.deb     xenomai-runtime_2.99.0_amd64.deb

这种方法安装的xenomai库与b)方法安装的位置不同，不需要额外设置环境变量,因为debian包安装的时候已经通过hook脚本自动设置了，感兴趣可以使用dpkg-deb -R将libxenomai1_2.99.0_amd64.deb解包,查看其hook脚本。进入xenomai测试程序目录/usr/lib/xenomai/testsuite/(该目录没有在环境变量内，所以需要进入目录后执行），运行latency，测试xenomai实时任务定时延迟。

/usr/lib/xenomai/testsuite$ ./latency 
== Sampling period: 100 us
== Test mode: periodic user-mode task
== All results in microseconds
warming up...
RTT|  00:00:11  (periodic user-mode task, 100 us period, priority 99)
RTH|----lat min|----lat avg|----lat max|-overrun|---msw|---lat best|--lat worst

b) 分步编译安装xenomai库

对于非基于debian的发行版或是嵌入式系统，需要一步一步配置、编译、安装、配置环境变量来完成。

进入xenomai源码目录：

$cd /home/work/xenomai/xenomai-3.1.1

配置:

./configure --enable-pshared --enable-smp --with-core=cobalt

通过./configure --help可查看配置帮助，配置说明更多参考xenomai官方安装文档，这里不再说明。

mkdir -p build

make -j$(nproc) DESTDIR=`pwd`/build install

编译安装后，xenomai库等文件在build/目录下，将build文件夹下所有内容拷贝到rootfs(目标根文件系统)中即可。临时安装到build目录的目的是，如果需要在其他机器上部署，可不用再次编译，直接将该目录内容拷贝到目标文件系统根目录即可。

$sudo cp -R build/* rootfs/usr/

也可以直接编译安装到系统中：

make -j$(nproc) install

配置环境变量：

在目录/etc/profile.d/下创建文件xenomai环境变量文件xenomai.sh，文件内容如下：

#fix paths for xenomai
export XENOMAI_ROOT_DIR=/usr/xenomai
export XENOMAI_PATH=/usr/xenomai
export PATH=$PATH:$XENOMAI_PATH/bin:$XENOMAI_PATH/sbin
export PKG_CONFIG_PATH=$PKG_CONFIG_PATH:$XENOMAI_PATH/lib/pkgconfig
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$XENOMAI_PATH/lib
export OROCOS_TARGET=xenomai


#add some aliases convenient for xenomai
alias xeno-stat="cat /proc/xenomai/sched/stat"
alias xeno-threads="cat /proc/xenomai/sched/threads"
alias xeno-rt-threads="cat /proc/xenomai/sched/rt/threads"
alias xeno-interrupts="cat /proc/xenomai/irq"
alias xeno-version=/usr/xenomai/sbin/version
alias xeno-autotune=/usr/xenomai/sbin/autotune
alias xeno-latency=/usr/xenomai/bin/latency

前半部分是xenomai环境变量，后半部分是常用的命名别名(快捷命令)，具体含义后面的文章会介绍到；

由于xenomai实时任务是在linux软实时任务基础上创建的，而linux实时任务的创建需要权限，所以还需要配置用户组允许非root用户运行实时任务。创建用户组xenomai，并将当前非root用户与root用户加入用户组xenomai。

$sudo addgroup xenomai --gid 1234
$sudo addgroup root xenomai
$sudo usermod -a -G xenomai $USER

配置grub配置文件 /etc/default/grub，在linux命令行参数中添加用户组信息xenomai.allowed_group=1234,其中1234表示用户组ID，如下：

GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash xenomai.allowed_group=1234"

更新grub:

$sudo grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg
    或
$sudo update-grub

重新启动选择xenomai内核，进入系统打开终端,直接执行latency测试xenomai实时性。

$ latency 
== Sampling period: 100 us
== Test mode: periodic user-mode task
== All results in microseconds
warming up...
RTT|  00:00:11  (periodic user-mode task, 100 us period, priority 99)
RTH|----lat min|----lat avg|----lat max|-overrun|---msw|---lat best|--lat worst

注
如果还是提示普通用户没有权限的话:

#latency
   0"000.000| WARNING: [main] cannot open RTDM device /dev/rtdm/memdev-private: Permission denied
   0"000.000| WARNING: [main] cannot map private umm area: Permission denied
   0"000.000| BUG in init_bind(): [main] (CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT not enabled?)

将/etc/udev/xenomai.rules 拷贝到目录etc/udev/rules.d/下，或者直接新建文件etc/udev/rules.d/xenomai.rules 保存后重启，内容如下:

# Don't let udev mess with our special network names
KERNEL=="vnic*|rteth*|rtlo", NAME="$env{INTERFACE_NAME}"
# Xenomai real-time devices
SUBSYSTEM=="rtdm", MODE="0660", GROUP="xenomai"

五、X86 平台xenomai实时性测试

下面是笔者一台工控板上的测试数据，供大家参考。

使用的环境如下：


CPU	intel 赛扬 3865U@1.8GHZ
Kernel	Linux 4.4.200
操作系统	Ubuntu 16.04
内存	8GB DDR3-1600 双通道
存储	64GB EMMC

测试条件：一个QT应用程序绘制2维曲线图，只有QT CPU占用率就达到99%，在此基础上使用stress添加压力，创建10个CPU密集型任务（不断计算平方根），4个内存压力任务（不断的执行内存分配-赋值-读取校验-释放操作，每次操作内存大小为256MB）。

stress -c 10 -m 4

测试时间：211:04:55
测试命令：

latency -t0 -p 100 -P 99 -h -g result.txt

测试应用空间程序，优先级99，任务周期100us，测试结果输出到文件result.txt。经过接近10天的测试后，文件result.txt中latency分布结果如下：

# 211:04:55 (periodic user-mode task, 100 us period, priority 99)
# ----lat min|----lat avg|----lat max|-overrun|---msw|
#       0.343|      1.078|     23.110|       0|     0|
# Xenomai version: Xenomai/cobalt v3.1
# Linux 4.19.114-xeno 
......
# I-pipe releagese #20 detected
# Cobalt core 3.1 detected
# Compiler: gcc version 5.4.0 20160609 (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.12) 
# Build args: --enable-smp --enable-pshared --enable-tls 
PKG_CONFIG_PATH=:/usr/xenomai/lib/pkgconfig:/usr/xenomai/lib/pkgconfig0 1
0.5 1599357037
1.5 1621130106
2.5 56618753
3.5 4386985
4.5 3848531
5.5 3556704
6.5 3353649
7.5 3033218
8.5 2560133
9.5 2035075
10.5 1516866
11.5 1038989
12.5 680815
13.5 417124
14.5 224296
15.5 115165
16.5 58075
17.5 27669
18.5 11648
19.5 4648
20.5 1646
21.5 467
22.5 38
23.5 1

其中第一列数据表示latency的值，第二列表示该值与上一个值之间这个范围的latency出现的次数，最小0.343us，平均latency 1.078us，最大23.110us。系统高负载情况下还能有这么好的表现，可见xenomai的实时性还是挺不错的。

这还只是xenomai应用空间任务的实时性表现，如果使用内核空间任务会更好。当然这只能说明操作系统能提供的实时性能，具体的还要看应用程序的设计等等。
此外，X86平台实时性与BIOS有很大关系，通常BIOS配置CPU具有更高的吞吐量，例如超线程等，毕竟BIOS不是普通开发者能接触到的，如果能让BIOS对CPU针对实时系统配置的话，实时性会更好。比如下图所示：平均抖动几乎在100纳秒以内。

六、arm架构安装xenomai

主要是事先移植linux内核和u-boot,它们跑起来后才能进行xenomai实时性改造。其他的就与上面步骤大同小异。步骤如下：

a)对移植好的linux内核打ipipe补丁。

b)打xenomai cobalt内核补丁。

c)交叉编译（普通嵌入式内核编译）

d)安装zImage，若有内核模块安装内核模块

e)交叉编译xenomai库

ARM配置选项和编译标志:

SOC	CFLAGS	configure options
at91rm9200	-march=armv4t -msoft-float
at91sam9x	-march=armv5 -msoft-float
imx1	-march=armv4t -msoft-float
imx21	-march=armv5 -msoft-float
imx31	-march=armv6 -mfpu=vfp
imx51/imx53	-march=armv7-a -mfpu=vfp3
imx6q	-march=armv7-a -mfpu=vfp3	--enable-smp
ixp4xx	-march=armv5 -msoft-float	--enable-arm-tsc=ixp4xx
omap3	-march=armv7-a -mfpu=vfp3
omap4	-march=armv7-a -mfpu=vfp3	--enable-smp
orion	-march=armv5 -mfpu=vfp
pxa	-march=armv5 -msoft-float
pxa3xx	-march=armv5 -msoft-float	--enable-arm-quirks=xscale3
s3c24xx	-march=armv4t -msoft-float
sa1100	-march=armv4t -msoft-float	--enable-arm-quirks=sa1100

这里以cortex-A8 am335x为例：

配置

cd xenomai-3.1
./configure CFLAGS="-march=armv7-a -mtune=cortex-a8 -mfloat-abi=hard -mfpu=vfp3 -ffast-math" --host=arm-linux-gnueabihf --with-core=cobalt --enable-smp

--host=参数指定交叉编译工具链，CFLAGS=指定目标架构，是否使用硬浮点等。

mkdir -p build-arm

make -j$(nproc) DESTDIR=`pwd`/build-arm install

编译安装后，xenomai库等文件在$(pwd)/build/xenomai目录下，将xenomai文件夹拷贝到rootfs/usr中即可。

sudo cp -R build-arm/xenomai rootfs/usr/

或者将xenomai文件夹进行压缩，然后需要时直接解压到rootfs /usr中,这种方式便于后续安装。

cd build 
sudo tar -czpvf xenomai-arm-3.1.1.tar.gz xenomai

解压到rootfs：

cd rootfs
sudo tar -xpvf xenomai-arm-3.1.1.tar.gz -C usr/

f)配置环境变量

与上面一样，在目录/etc/profile.d/下创建文件xenomai环境变量文件xenomai.sh，文件内容如下：

#fix paths for xenomai
export XENOMAI_ROOT_DIR=/usr/xenomai
export XENOMAI_PATH=/usr/xenomai
export PATH=$PATH:$XENOMAI_PATH/bin:$XENOMAI_PATH/sbin
export PKG_CONFIG_PATH=$PKG_CONFIG_PATH:$XENOMAI_PATH/lib/pkgconfig
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$XENOMAI_PATH/lib
export OROCOS_TARGET=xenomai

#add some aliases convenient for xenomai
alias xeno-stat="cat /proc/xenomai/sched/stat"
alias xeno-threads="cat /proc/xenomai/sched/threads"
alias xeno-rt-threads="cat /proc/xenomai/sched/rt/threads"
alias xeno-interrupts="cat /proc/xenomai/irq"
alias xeno-version=/usr/xenomai/sbin/version
alias xeno-autotune=/usr/xenomai/sbin/autotune
alias xeno-latency=/usr/xenomai/bin/latenc

也可将这些内容直接放到/etc/profile中。

g)配置linux命令行参数

arm嵌入式系统一般都是root用户，不需要设置用户组，如果不是，请如上文所示建立用户组。修改u-boot向内核传递内核参数，或者修改设备树节点，添加内核参数属性并赋值。

七、ARM 平台xenomai实时性测试


CPU	双核cortex-A15@1.5GHZ
Kernel	Linux 4.19.85 + xenomai 3.1
内存	2GB DDR3
存储	4GB EMMC
以下均在压力`stress -c 10 -m 4`下测试,时间2小时，定时周期100us，优先级99。

7.1 IRQ-timer handler

# 02:00:00 (in-kernel timer handler, 100 us period, priority 99)
# ----lat min|----lat avg|----lat max|-overrun|---msw|
#       0.325|      0.768|      6.859|       0|     0|
# Xenomai version: Xenomai/cobalt v3.1
.....
0 1
0.25 979922
0.75 69023222
1.25 1468209
1.75 314001
2.25 118087
2.75 52695
3.25 9272
3.75 2163
4.25 5333
4.75 2638
5.25 18381
5.75 5633
6.25 18
6.75 15
7 1

7.2 内核态任务

# 01:33:21 (in-kernel periodic task, 100 us period, priority 99)
# ----lat min|----lat avg|----lat max|-overrun|---msw|
#      -0.282|      0.643|     10.519|       0|     0|
# Xenomai version: Xenomai/cobalt v3.1
....
0 1
0.25 37403654
0.75 5725957
1.25 5300392
1.75 3143282
2.25 2329224
2.75 1360290
3.25 511552
3.75 135384
4.25 37234
4.75 42208
5.25 18950
5.75 4495
6.25 532
6.75 295
7.25 172
7.75 43
8.25 13
8.75 6
9.25 1
9.75 3
10.25 1
10.75 2
11 1

7.3 用户态任务

# 02:00:00 (periodic user-mode task, 100 us period, priority 99)
# ----lat min|----lat avg|----lat max|-overrun|---msw|
#       0.422|      3.605|     13.328|       0|     0|
# Xenomai version: Xenomai/cobalt v3.1
.....
0 1
0.25 2
0.75 44
1.25 137
1.75 1540
2.25 13471
2.75 1943224
3.25 38106382
3.75 19789463
4.25 6749386
4.75 2940300
5.25 1812680
5.75 549134
6.25 47176
6.75 18063
7.25 16545
7.75 9921
8.25 1391
8.75 389
9.25 132
9.75 97
10.25 104
10.75 46
11.25 18
11.75 21
12.25 6
12.75 4
13.25 2
13.5 1

基于arm平台xenomai与VxWorks 实时性能对比，可参见本博客文章xenomai与VxWorks实时性对比（资源抢占上下文切换对比），[xenomai与VxWorks实时性对比（Jitter对比）][https://www.cnblogs.com/wsg1100/p/13059822.html]。

八、arm64架构安装xenomai(瑞芯微RK3588)

内核参数配置前后对比，GPU、NPU工作正常，同等压力下：

九、xenomai实时性能优化

详见本博客文章有利于提高xenomai /PREEMPT-RT 实时性的一些配置建议.

参考链接:

xenomai官方安装文档

https://gitlab.denx.de/Xenomai/xenomai/wikis/home

https://gitlab.denx.de/Xenomai/xenomai/wikis/Start_Here

posted @ 2020-05-10 17:17 沐多阅读(16618) 评论(28) 编辑收藏举报

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