發布日期：2022-04-26 點擊率：64
關鍵詞： arm linux real-time
摘要：本文概括介紹了在應用處理器上使用 Linux作為操作系統開發實時系統的解決方案。對于想要使用微處理器并且關注實時控制和決策的開發者，這可以作為入門。我們展示了使用異構多核處理的 SoC 硬件方案，以及兩個基于軟件的方法：Linux-RT Patch 和Xenomai。演示的結果并不是為了對比操作系統或者實時技術。每一種方法都具有優勢和劣勢，最終還是取決于應用場景。
應用處理器的應用范圍越來越廣泛。系統芯片都是采用ARM?Cortex-A 正在搶占部分原來由 ARM? Cortex-M和其他微處理器設備統治的市場。這種趨勢由幾個因素造成：
通常和 IoT 相關的強烈互聯需求，不僅從硬件上，也有軟件、協議以及安全相關方面
深度互動界面的要求，例如多點觸控、高分辨率顯示以及豐富的圖形界面
隨著SoC的量產以及新產品功能提高，SoC 的價格在下降
作為支持上面論述的典型案例是我們消費者每天都看到產品的重新設計，從微控制器升級到微處理器。這種遷移伴隨著新的挑戰，例如設計變得越來越復雜，操作系統的抽象層也更加繁雜。使用應用處理器所帶來的復雜硬件設計的難題可以被公版參考設計以及使用現成的計算機模塊/系統模塊或者單板電腦所克服。在操作系統層面，嵌入式Linux系統已經在行業中得到廣泛應用。大量的開源工具簡化功能豐富的復雜嵌入式系統開發。如果使用微控制器，類似的開發工作將變得復雜和耗時。盡管有著諸多的好處，使用類似Linux 操作系統仍舊產生了不少的質疑和缺乏信心，熱別是針對實時控制應用。
開發人員通常的做法是將實時任務和一般任務分攤到不同的處理器上。因此，類似與 Cortex-A的處理器主要用于多媒體和聯網功能，而微控制器則仍然被用作處理實時、關鍵性任務。本文旨在為開發人員提供一些建議，當他們需要使用應用處理器完成實時系統的時候。
測試實時性能
現在有許多 benchmark工具可以用于評估軟件系統的實時性能，然而我們想要快速地測試下面提到的方法是否可以真的提高系統性能。為了看到結果，我們測量由嵌入系統的標準GPIO 產生的方波抖動。用這種方法，我們可以簡單、快速地分析實時性能，并提供初步的優化建議。我們開發了一個以2.5KHz（200μsHigh / 200μs Low） 頻率翻轉 GPIO的應用。用示波器連接 GPIO，測試方波和輸出時序。
圖1：抖動測試
標準 Linux 測試結果如圖2所示。翻轉 GPIO的應用配置為實時任務(SCHED_RR)，內核配置了Voluntary Kernel Preemption(CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY)。
圖2：使用標準 Linuxe內核配置的方波抖動分布圖
測試結果表面只有 92% 的波形在 ±10%的誤差以內。最差的測量結果顯示延時超過 15ms，逾 3700% 的誤差。
Real-Time Linux
本文中我們采用第一個方式是軟件相關的。Linux 并不是一個實時操作系統，但是許多項目在很大程度上提高了 Linux 的決策能力和實時性。其中一個項目是Real-Time Linux project。Real-Time Linux是一系列的補丁（PREEMPT_RT），為 Linux 內核提供新的強占機制，以及其他的功能和工具，使其更加適合于實時任務。你可以在其官方 Real-Time Linux Wiki （之前在這里）上找到應用 PREEMPT_RT 補丁和應用開發的文檔。
我們在 ColibriiMX6DL 上使用PREEMPT_RT 來驗證實時性能的改進。在 Toradex Linux 鏡像中部署PREEMPT_RT 補丁的說明可以在 ToradexDeveloper Center 上找到。
下面的圖表（圖3）展示了使用 PREEMPT_RT 補丁的 Linux 的實時強占測試結果。結果表明只有0,002%的波形超過±10% 的誤差。最差的結果（0,106us）也只有 25% 的誤差，相比于標準 Linux（圖2）這是一個很大的提高。
圖3：使用 Preempt-RT內核配置方波抖動分布圖
使用 PREEMPT_RT 補丁的軟件方案 CodesysSolutions。其依靠 Real-Time Linux 內核以及 OSADL，部署軟件 PLC方案，這已經在自動化產業中得到廣泛的使用。你可以在這里找到更多關于在Toradex 計算機模塊上運行 Codesys 的信息，包括演示 demo。
Xenomai
Xenomai 是另外一個實現 Linux 實時系統的框架。Xenomai 通過提在 Linux 內核提供一個co-kernel 而實現。co-kernel 處理實時任務，并擁有比標準 Linux 更高的優先級。在這里你可以了解更多信息。為了使用 Xenomai 的實時特性，你必須使用實時 APIs（libcobalt）來連接用戶應用和 Cobalt 內核，后者確保任務的實時性能。
圖4：Dual Core Xenomai配置
關于安裝Xenomai 到你的設備的相關文檔可以在 Xenomai 網站找到：www.xenomai.org。除此之外，還有許多嵌入式硬件可以使用，詳見： 參考硬件列表（包括NXP? i.MX SoC 系列）
我們再次使用方波測試 Xenomai 在 i.MX6 SoC 的性能。使用 Toradex 的 Colibri iMX6DL作為測試設備。我們采用和上面提到的 Real-Time Linux 同樣的方式來測試。測試所用的部分代碼如下所示，使用 XenomaiAPI。
void blink(void *arg __attribute__((__unused__)))
{
int iomask = 0;
rt_task_set_periodic(NULL, TM_NOW, TIMESLEEP);
while(1)
{
rt_task_wait_period(NULL);
if(iomask) SET_G35;
else CLR_G35;
iomask = 1 - iomask;
}
}
int main(void)
{
rt_task_create(&blink_task, "blinkLed", 0, 99, 0);
rt_task_start(&blink_task, &blink, NULL);
getchar();
rt_task_delete(&blink_task);
return 0;
}下圖（圖5）是 Xenomai 的測試性能。同樣，實時解決方案相比于標準 Linux有著巨大的優勢。值得注意的是，最差的結果也在 ±10% 的誤差以內。
圖5：使用 Xenomai的方波抖動分布圖
異構多核處理
異構多核處理（HMP）是硬件解決方案。諸如 NXP i.MX7 系列、 NXP i.MX6SoloX 和即將面市的 NXPi.MX8 系列 提供了不同功能的內核。例如我們看 i.MX7S，你會發現一個具有Cortex-A7@800MHz 和 Cortex-M4@200MHz 的雙核處理器。基本的目的是用戶界面和高速互聯由類似 Linux的操作系統在 Cortex-A 運行，與此同時，控制任務由類似 FreeRTOS 的實時操作系統在 Cortex-M上執行。兩個核都能夠訪問內存和外設，在定義每個核上運行的任務時保持靈活性。參考圖6。
圖6:i.MX7 框圖，來源技術手冊
使用 HMP 的優勢：
原來在微控制器上的軟件可以被方便地重新使用
簡化固件（M4 核）更新，固件在 Cortex-A OS 的文件系統作文一個普通文件
提高內核選擇外設的靈活性。因為這是軟件定義的，后續的更改無需硬件設計修改
更多關于基于 HMP 處理器應用開發的信息請參考下面的內容：
文章： A Balancing Robot Leveraging the Heterogeneous AsymmetricArchitecture of i.MX 7 with FreeRTOS and Qt
文章：FreeRTOSon the Cortex-M4 of a Colibri iMX7
網絡研討會議：Introducingthe i.MX7 System on Chip
Toradex、Antimicro 和 The Qt Company 聯合開發了一個機器人來展示這個概念。機器人的名字是 TAQ，采用Toradex計算機模塊 ColibriiMX7 的自平衡機器人。用戶界面在 Linux 中使用 Qt 構建，運行在 Cortex-A7 上，平衡和電機控制則由Cortex-M4 完成。雙核之間的通信實現了遠程控制和面部動畫，正如視頻中演示的一樣.
圖7 是 Colibri iMX7 的測試結果。方波由運行在 i.MX7M4 上的 FreeRTOS 生成。和預計的一樣，測試結果好于上面其他所有的方法。
圖7：使用異構多核架構的方波抖動分布圖
方波由運行在 M4 上的 FreeRTOS 生成。
總結
本文概括介紹了在應用處理器上使用 Linux作為操作系統開發實時系統的解決方案。對于想要使用微處理器并且關注實時控制和決策的開發者，這可以作為入門。我們展示了使用異構多核處理的 SoC 硬件方案，以及兩個基于軟件的方法：Linux-RT Patch 和Xenomai。演示的結果并不是為了對比操作系統或者實時技術。每一種方法都具有優勢和劣勢，最終還是取決于應用場景。
文章主要為了說明幾種現成的解決方案可以在應用處理器上使用 Linux 實現可靠的實時應用。
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