強(qiáng)實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境下VxWorks, Linux, RTAI和Xenomai系統(tǒng)的性能比較.doc

課程：嵌入式系統(tǒng) 作業(yè)：文獻(xiàn)翻譯 電工理論與新技術(shù)_130501_徐浩澤_YS1310501037 如有需要可提供電子版強(qiáng)實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境下VxWorks, Linux, RTAI和Xenomai系統(tǒng)的性能比較A. Barbalace, A. Luchetta, G. Manduchi, M. Moro, A. Soppelsa, and C. Taliercio摘要：使用配置MPC7455 PowerPC處理器的VMEbus MVME5500 開(kāi)發(fā)板對(duì)Wind River VxWorks, Linux, RTAI和 Xenomai四種不同操作系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。以一個(gè)時(shí)間實(shí)時(shí)應(yīng)用的框架為例對(duì)中斷延遲，重調(diào)度和程序間通信時(shí)間進(jìn)行比較。對(duì)Gb以太網(wǎng)通信的性能測(cè)試也在目標(biāo)板上進(jìn)行。為達(dá)成此目的，我們將Linux IP stack 和 RTnet，Xenomai和 RTAI的一種開(kāi)源強(qiáng)實(shí)時(shí)通信協(xié)議移植到所用的系統(tǒng)中。測(cè)試結(jié)果顯示被測(cè)的開(kāi)源軟件適用于強(qiáng)實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境。關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)系統(tǒng)，Linux, RTAI, Xenomai, ADEOS, RTnet, VxWorks, PowerPC.1. 簡(jiǎn)介自1998年以來(lái)，實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于RFX-mod 實(shí)驗(yàn)。RFX-mod是一個(gè)用于研究磁約束熱核聚變的環(huán)形裝置，坐落于意大利的帕多瓦。目前在使用的有7個(gè)控制單元，每個(gè)單元都包含一個(gè)使用摩托羅拉MVME5500單板機(jī)和其他ADC/DAC轉(zhuǎn)換器以及其他數(shù)字接口板的模組箱?？刂茊卧M成控制網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)在各單元間進(jìn)行實(shí)時(shí)交換。一個(gè)提供了通用功能以及數(shù)據(jù)處理和通信功能的軟件框架已經(jīng)在VxWorks平臺(tái)上搭建起來(lái)。VxWorks被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)研究的原因包括：提供了一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程。程序在被下載到目標(biāo)系統(tǒng)之前可以在主系統(tǒng)中做開(kāi)發(fā)和仿真。提供了一個(gè)強(qiáng)大的多任務(wù)化環(huán)境，任務(wù)有固定的優(yōu)先級(jí)，可以通過(guò)一組豐富的進(jìn)程間通信（IPC）機(jī)制進(jìn)行通信。VxWorks的軟件模式與UNIX非常相似，尤其是I/O和網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于熟練使用UNIX的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，編程變得非常簡(jiǎn)單。但是，近年來(lái)，Linux系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展使得將其應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)變得極富吸引力。但是對(duì)于數(shù)據(jù)采集，或者更廣泛的說(shuō)，對(duì)于所有不需要嚴(yán)格的時(shí)間確定性的任務(wù)，Linux已經(jīng)被應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。但是Linux的一些特性使其不能被直接應(yīng)用于實(shí)時(shí)應(yīng)用，例如：動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。使用隨時(shí)變動(dòng)的優(yōu)先級(jí)是解決分時(shí)的一個(gè)好方法，但是可能會(huì)使一個(gè)緊急事件無(wú)法足夠快的拿到CPU權(quán)限。分頁(yè)?？赡軙?huì)引入額外的延遲除非將頁(yè)在內(nèi)存中鎖定。內(nèi)存管理單元的重新映射。用戶程序占用CPU時(shí)重新映射進(jìn)入內(nèi)存管理單元（MMU）的頁(yè)面表會(huì)減緩上下文切換。粗粒度的同步。由于內(nèi)核為非先發(fā)式，有時(shí)系統(tǒng)無(wú)法響應(yīng)冗長(zhǎng)的內(nèi)核操作時(shí)。最近的2.6版本Linux內(nèi)核為以上問(wèn)題提供了解決方案。事實(shí)上將固定優(yōu)先級(jí)與過(guò)程子集想聯(lián)系是可能的，這一版本的內(nèi)核通過(guò)精確定義不可中斷的程序段和自旋鎖保護(hù)而不是禁止中斷已經(jīng)被定制為先發(fā)制人的了。此外Linux kernel 2.6提供了一個(gè)新的O調(diào)度的實(shí)現(xiàn)?？紤]到交互可以被禁止，而且，給定了級(jí)別范圍，優(yōu)先級(jí)可以被固定，我們可以將Linux暫時(shí)考慮成一個(gè)軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并因此可以被應(yīng)用于許多可以忍受偶爾的系統(tǒng)響應(yīng)延遲的場(chǎng)合。但是Linux 2.6 仍然不適用于聚變反應(yīng)反饋控制這種強(qiáng)實(shí)時(shí)場(chǎng)合，在這種情況下，事實(shí)上,不可預(yù)測(cè)的反應(yīng)時(shí)間可能惡化控制的質(zhì)量，或者更糟糕的是，導(dǎo)致不可恢復(fù)的不穩(wěn)定性。然而，在引用文獻(xiàn)4和5中，借助脈沖性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，Linux已經(jīng)被成功的應(yīng)用到了強(qiáng)實(shí)時(shí)場(chǎng)合。在這種情況下，大多數(shù)的時(shí)間過(guò)程控制系統(tǒng)不需要運(yùn)行在實(shí)時(shí)模式。只有在等離子放電這一在大多數(shù)現(xiàn)有聚變實(shí)驗(yàn)中只持續(xù)數(shù)秒的過(guò)程中才需要實(shí)時(shí)控制。因此當(dāng)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)操作時(shí)禁止中斷是可行的，這實(shí)現(xiàn)了一個(gè)循環(huán)周期12s的整體抖動(dòng)。在禁用中斷時(shí),尤其要注意：代碼和數(shù)據(jù)必須被鎖定到內(nèi)存中來(lái)防止頁(yè)面錯(cuò)誤，軟件不能依賴(lài)系統(tǒng)服務(wù)控制I/O。因此除了輪詢輸入數(shù)據(jù)和寫(xiě)輸出數(shù)據(jù)，控制代碼不能與外部環(huán)境通信，對(duì)于一個(gè)固定的迭代次數(shù)，使用預(yù)配置的地址窗口。這個(gè)解決方案盡管在特定的應(yīng)用程序成功，仍然有各種各樣的原因使其不能被認(rèn)為是一個(gè)結(jié)論，最主要的是因?yàn)樵谙乱淮圩冄b置中，控制系統(tǒng)被期望用于控制長(zhǎng)時(shí)間放電，或者準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程。2. Linux 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)擴(kuò)展我們主要希望能找到一種方法，給Linux增加一些定義新的實(shí)時(shí)任務(wù)的可能性，從而保證在它們已經(jīng)準(zhǔn)備好運(yùn)行時(shí)，能在一個(gè)確定的時(shí)間內(nèi)獲得控制。這個(gè)特性是由兩個(gè)開(kāi)源Linux擴(kuò)展: RTAI和Xenomai提供。RTAI和Xenomai大多數(shù)概念相同(他們?cè)醋酝粋€(gè)項(xiàng)目)，都代表而不是代替了Linux，一個(gè)結(jié)合Linux工作的額外的組件，處理的實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度,讓Linux提供所有剩余的功能。但是，為了與Linux配合，額外的組件和Linux共享底層硬件是必要的。通過(guò)使用ADEOS超微內(nèi)核作為硬件功能的代理，RTAI 和Xenomai都實(shí)現(xiàn)了這種共享。特別的，ADEOS通常掌控硬件中斷，并為其他組件傳播通知序列。所以，Linux和RTAI（或Xenomai）代表ADEOS域，并由超微內(nèi)核作為管線從邏輯上組織起來(lái)。聲明在流水線前端的組件將先接收到中斷通知，然后可以決定ADEOS是否讓它們沿著域管傳播。在RTAI（或Xenomai）位于管道前端因而優(yōu)先于Linux的情況下，可以忽略Linux的實(shí)際運(yùn)行，確定響應(yīng)時(shí)間。如 圖 1 所示這個(gè)組織在Xenomai中已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)。圖 1 Xenomai分層圖 2 RTAI的分層如 圖 2 所示RTAI有稍微不同的組織形式，與Xenomai讓ADEOS掌控所有的中斷源不同的是，RTAI攔截它們，使用ADEOS將那些RTAI不感興趣的中斷通知送給Linux（也就是，中斷不影響實(shí)時(shí)時(shí)序）。這樣混合過(guò)程的目的是提高性能，因?yàn)樵谶@種情況下，如果中斷是要喚醒一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，就避免了由ADEOS管理中斷的開(kāi)銷(xiāo)。RTAI和Xenomai都有一個(gè)活躍的開(kāi)發(fā)者社區(qū)，都可以作為一個(gè)VxWorks的開(kāi)源替代。為了評(píng)估是否適合我們的目標(biāo)，我們進(jìn)行了一組測(cè)量比較了Linux，RTAI，Xenomai和VxWorks的性能。我們使用PowerPC架構(gòu)，使用摩托羅拉MVME5500單板機(jī)，這個(gè)選擇的原因是PowerPC構(gòu)架在執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)性能要優(yōu)于x86構(gòu)架。此外，在開(kāi)發(fā)RFX-mod的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)時(shí)，我們得到一個(gè)非常有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)：使用PowerPC系列處理器提供的向量構(gòu)架組件（(AltiVec）進(jìn)行并行浮點(diǎn)運(yùn)行。但是，RTAI還沒(méi)有往PowerPC構(gòu)架進(jìn)行移植，ADEOS也有程序錯(cuò)誤而無(wú)法在我們的平臺(tái)上應(yīng)用。因此，為了在MVME5500單板機(jī)上使用RTAI和Xenomai（兩者都在ADEOS分層）我們先開(kāi)發(fā)了一個(gè)補(bǔ)丁集。3. MVME5500平臺(tái)上LINUX，ADEOS，RTAI和XENOMAI的移植為了將Linux, ADEOS, RTAI和 Xenomai移植到目標(biāo)板上，我們開(kāi)發(fā)了一些補(bǔ)丁。為了安裝Linux，Vanilla Linux Kernel v 2.6.14使用了一個(gè)從摩托羅拉公司獲得的補(bǔ)丁。但是我們必須開(kāi)發(fā)一個(gè)附加的補(bǔ)丁修正一些VME數(shù)據(jù)存取中的錯(cuò)誤。超微內(nèi)核ADEOS已經(jīng)被移植到PowerPC架構(gòu)，但是有一個(gè)程序錯(cuò)誤使其不能被應(yīng)用于使用Galileo GT-64260系統(tǒng)控制器的所有平臺(tái)。我們?cè)谝粋€(gè)新的補(bǔ)丁中已經(jīng)修正了這個(gè)錯(cuò)誤。安裝Xenomai時(shí)并未做任何改動(dòng)，因?yàn)橐呀?jīng)有PowerPC使用的版本，而且不需要特定板支持。Xenomai已經(jīng)在AEDOS完全分層。RTAI沒(méi)有PowerPC可用的版本，所以需要進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。最后，RTnet不需要額外的開(kāi)發(fā)。ADEOS和RTAI兩個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的補(bǔ)丁已經(jīng)被集成在官方的配置中。在RFX-mod官網(wǎng)上可以得到MVME5500板的所有Linux補(bǔ)丁。由于目標(biāo)板是無(wú)盤(pán)的，系統(tǒng)引導(dǎo)首先由廠商提供的引導(dǎo)裝載程序Motload完成。Motload使用普通文件傳送協(xié)議(TFTP)從服務(wù)器下載內(nèi)核。Linux使用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)進(jìn)行文件輸入/輸出。4. 性能測(cè)定為了評(píng)估性能，我們重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)特性：中斷延遲和延期時(shí)間。我們使用一個(gè)測(cè)試程序，acqloop，通過(guò)VME總線從ADC獲得64個(gè)cannel產(chǎn)生一個(gè)輸出到DAC板，對(duì)應(yīng)于獲得的第一個(gè)信號(hào)。雖然很簡(jiǎn)單,這個(gè)程序可以測(cè)試我們感興趣的特性，因?yàn)楫?dāng)一組新的數(shù)字化數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好后ADC會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。通過(guò)用示波器測(cè)量一個(gè)輸入信號(hào)和系統(tǒng)的輸出間的延遲，我們可以對(duì)系統(tǒng)的總體性能進(jìn)行非擾亂性的測(cè)量，測(cè)定中斷延遲和延遲時(shí)間的不同。整體延遲中的其他部分實(shí)際上是對(duì)VME I/O的訪問(wèn)引起的，在所有被測(cè)系統(tǒng)中可以認(rèn)為是相同的。最后，我們考慮網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信，因?yàn)榇蠖鄶?shù)聚變裝置的控制系統(tǒng)都涉及實(shí)時(shí)通信。RTAI和Xenomai都依靠Linux IP堆棧實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。因此我們首先擴(kuò)展我們的測(cè)試程序acqloop，通過(guò)以太網(wǎng)連接和使用UDP協(xié)議在另一塊板上生成輸出信號(hào)，對(duì)VxWorks和Linux的IP堆棧性能進(jìn)行了比較。我們對(duì)UDP協(xié)議感興趣是因?yàn)樗诒滑F(xiàn)有的控制系統(tǒng)RFX-mod用于實(shí)時(shí)通信。然后我們考慮用一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目RTnet，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信。RTnet實(shí)現(xiàn)了一種新的IP堆棧 (對(duì)于UDP)，非確定性的原因被精確的避免了。特別的，為了避免內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配，數(shù)據(jù)包的內(nèi)存分配由預(yù)分配所有需要提前的緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)。RTAI和Xenomai都可以使用RTnet。在第一輪測(cè)試中，我們關(guān)注被測(cè)系統(tǒng)中斷延遲時(shí)間的差別。該情況下，acqloop首先安裝一個(gè)中斷服務(wù)程序(ISR)，直接讀取ADC數(shù)據(jù)寄存器并寫(xiě)入DAC（通過(guò)VME）。對(duì)于VxWorks (v 5.5.1) acqloop為一個(gè)C函數(shù)實(shí)現(xiàn)，然后由shell調(diào)用，所有代碼運(yùn)行在本機(jī)的內(nèi)核模式。其他系統(tǒng)，這段代碼集成為L(zhǎng)inux模塊，因?yàn)樗仨氃趦?nèi)核模式執(zhí)行。整個(gè)測(cè)量延遲是由于完成以下工作所需的時(shí)間組成：1) ADC板用于AD轉(zhuǎn)換；2) 控制板上的VME芯片用于檢測(cè)VME中斷,并將其傳播到系統(tǒng)控制器；3) 操作系統(tǒng)(OS)來(lái)處理中斷和調(diào)用副ISR；4) ISR從VME讀ADC數(shù)據(jù)；5) ISR向DAC寫(xiě)輸出值；6) DAC轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的電壓值以上各段時(shí)間，只有第三段依靠操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。因此，被測(cè)系統(tǒng)的不同的測(cè)量延遲突出表現(xiàn)中斷延遲的差異。測(cè)得的時(shí)間如 圖 3 所示圖 3無(wú)重調(diào)度的測(cè)量延遲和抖動(dòng)整體性能數(shù)據(jù)是相似的，最快的(VxWorks) 和最慢的 (Xenomai)約有5%的差別。進(jìn)一步分析表明RTAI和Xenomai的差異是因?yàn)樵赬enomai中，中斷總是首先被調(diào)度進(jìn)入超微內(nèi)核，這就Linux而言引入一個(gè)小的開(kāi)銷(xiāo)。相反的，RTAI在管理中斷時(shí)旁路了ADEOS，只有在中斷要傳播到另一個(gè)域（Linux）時(shí)才依賴(lài)ADEOS。值得注意的是RTAI的性能和VxWorks非常接近，而且，抖動(dòng)顯然更小。在第二輪測(cè)試中，我們改變了acqloop程序，輸出不直接由中斷服務(wù)程序，而是由ISR設(shè)定的另一個(gè)等待信號(hào)量的內(nèi)核任務(wù)寫(xiě)。測(cè)試結(jié)果如 圖 4 所示，每個(gè)條形圖的第二個(gè)部分代表重調(diào)度時(shí)間。圖 4有重調(diào)度的測(cè)量延遲和抖動(dòng)Linux的性能不管是延遲還是抖動(dòng)都令人驚喜，但是該測(cè)試結(jié)果僅表示系統(tǒng)不加載的情況下，當(dāng)工作量增加時(shí)會(huì)很快減少。相對(duì)地，其他系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果被證明受工作負(fù)載的影響非常小，除非在高中斷率的情況下。VxWorks的性能和RTAI又非常接近，特別地，RTAI對(duì)執(zhí)行本地實(shí)時(shí)任務(wù)一個(gè)非常高效的調(diào)度器。在最后一輪測(cè)試中我們考慮了網(wǎng)絡(luò)通信，在這種情況下，等待信號(hào)量的進(jìn)程不直接向DAC寫(xiě)輸出，而是向另一塊寫(xiě)DAC的MVME5500板發(fā)送一個(gè)包含所有獲得樣本數(shù)據(jù)的UDP數(shù)據(jù)包，UDP數(shù)據(jù)包的大小大約256字節(jié)（為了防止丟包，一些額外的字節(jié)用于UDP數(shù)據(jù)包時(shí)間標(biāo)記）。有網(wǎng)絡(luò)通信的測(cè)量延遲如 圖 5 所示：圖 5有實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信的測(cè)量延遲本次性能比較中，Linux使用本地IP堆棧，RTAI和Xenomai都使用RTnet，VxWorks使用本地IP堆棧。值得注意的是VxWorks的網(wǎng)絡(luò)通信性能是較差的，事實(shí)上在RFX-mod上使用VxWorks最新的版本的時(shí)候，我們已經(jīng)體驗(yàn)過(guò)這個(gè)情況。RTnet顯示了良好的性能，抖動(dòng)很小。我們?cè)僖淮斡^察到RTAI和Xenomai有細(xì)微的差別，可能是中斷執(zhí)行路徑不同引起的。在上述測(cè)試中，我們禁止了RTnet的所有以太網(wǎng)訪問(wèn)控制規(guī)則。我們使能以太網(wǎng)時(shí)分多址(TDMA)訪問(wèn)規(guī)則后重復(fù)RTnet的上述實(shí)驗(yàn)。該規(guī)則由RTnet選擇性提供，旨在強(qiáng)制網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)中的決定論，避免可能的沖突。使用循環(huán)時(shí)間100s，數(shù)據(jù)分組時(shí)間片40s 的TDMA，我們獲得了一個(gè)約150s整體的延遲和約50s的抖動(dòng)。減少TDMA的周期時(shí)間是不可能的（因此減少延遲和抖動(dòng)也是不可能的）因?yàn)檫@將導(dǎo)致不可接受的CPU負(fù)荷。5. 討論本篇文章的目的是為了評(píng)估Linux實(shí)時(shí)解決方案替代RFX-mod目前正在使用的VxWorks的可能性。基于性能測(cè)定的結(jié)果，我們可以得到以下結(jié)論：l 當(dāng)前Linux 2.6內(nèi)核的性能非常好，在小的專(zhuān)用系統(tǒng)是可以接受的。但RFX-mod的反饋控制系統(tǒng)并非如此，涉及的控制單元要處理高數(shù)據(jù)吞吐量的輸入/輸出和網(wǎng)絡(luò)通信。l RTAI和Xenomai都值得考慮。Xenomai的性能表現(xiàn)略次于RTAI，主要是因?yàn)樗謱拥姆椒ㄔ谥袛喙芾碇幸胍恍╅_(kāi)銷(xiāo)。另一方面，Xenomai結(jié)構(gòu)化更優(yōu)，很多平臺(tái)可以使用。此外，Xenomai提供一組模擬層，這在大型系統(tǒng)的移植中會(huì)非常有用。l RTAI和Xenomai在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)用戶友好都不及VxWorks。因?yàn)閷?shí)時(shí)任務(wù)要在內(nèi)核模式執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)最佳性能，程序員不能使用通常在用戶空間可用的系統(tǒng)服務(wù)，調(diào)試變得非常困難。然而，對(duì)于Xenomai和RTAI，讓用戶進(jìn)程成為實(shí)時(shí)卻是可能的。允許實(shí)時(shí)應(yīng)用用戶進(jìn)程的開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化了實(shí)時(shí)系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)也允許IPC Linux標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程。實(shí)時(shí)用戶進(jìn)程靠一個(gè)與Linux調(diào)度器協(xié)同工作的專(zhuān)門(mén)的調(diào)度程序進(jìn)行管理，當(dāng)用戶進(jìn)程需要實(shí)時(shí)性時(shí)，竊取它們。與內(nèi)核進(jìn)程不同，為用戶進(jìn)程進(jìn)行上下文轉(zhuǎn)換需要重新映射頁(yè)表，這是一個(gè)潛在的耗時(shí)的操作。因?yàn)檫@個(gè)原因我們計(jì)劃進(jìn)一步測(cè)試量化MMU重新映射對(duì)上下文切換的影響。l 網(wǎng)絡(luò)性能是對(duì)RTAI和Xenomai最有利的支持。UDP已成功用于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信。RTnet被證實(shí)是一種良好的解決方案，尤其是的與目標(biāo)板的最新版VxWorks IP堆棧的不良性能給我們的用戶體驗(yàn)相比的時(shí)候。RTnet只在不使能TDMA時(shí)可以達(dá)到最佳性能，這似乎最適合有大量接入點(diǎn)但是沒(méi)有嚴(yán)格時(shí)間要求的系統(tǒng)（訪問(wèn)沖突的機(jī)率更高）。RFX-mod并不是運(yùn)行在這樣的環(huán)境下，只有不到10個(gè)控制單元。因此我們可以說(shuō)，RTAI和Xenomai都可以在RFX-mod，或者更廣泛的說(shuō)，在聚變裝置的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)有效替代VxWorks。參考文獻(xiàn)1 A. 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