硬实时Linux(RT-Preempt Patch)在PC上的编译、使用和测试Vanilla kernel的问题RT-Preempt Patch使能RT-Preempt Patch试用

Linux kernel在spinlock、irq上下文方面无法抢占，因此高优先级任务被唤醒到得以执行的时间并不能完全确定。同时，Linux kernel本身也不处理优先级反转。RT-Preempt Patch是在Linux社区kernel的基础上，加上相关的补丁，以使得Linux满足硬实时的需求。本文描述了该patch在PC上的实践。我们的 测试环境为Ubuntu 10.10，默认情况下使用Ubuntu 10.10自带的kernel：

在Ubuntu 10.10，apt-get install rt-tests安装rt测试工具集，运行其中的cyclictest测试工具，默认创建5个SCHED_FIFO策略的realtime线程，优先级 76-80，运行周期是1000,1500,2000,2500,3000微秒：

由此可见在标准Linux内，rt线程投入运行的jitter非常不稳定，最小值在26-37微秒，平均值为68-889微秒，而最大值则分布在9481-13673微秒之间。

我们还是运行这个测试，但是在运行这个测试的过程中引入更多干扰，如mount /dev/sdb1 ~/development，则结果变为：

mount过程中引入的irq、softirq和spinlock导致最大jitter明显地加大甚至达到了331482us，充分显示出了标准Linux内核中RT线程投入运行时间的不可预期性(硬实时要求意味着可预期)。

如果我们编译一份kernel，选择的是“Voluntary Kernel Preemption (Desktop)“，这类似于2.4不支持kernel抢占的情况，我们运行同样的case，时间的不确定性大地几乎让我们无法接受：

RT-Preempt Patch对Linux kernel的主要改造包括：

Making in-kernel locking-primitives (using spinlocks) preemptible though reimplementation with rtmutexes:

Critical sections protected by i.e. spinlock_t and rwlock_t are now preemptible. The creation of non-preemptible sections (in kernel) is still possible with raw_spinlock_t (same APIs like spinlock_t)

Converting interrupt handlers into preemptible kernel threads: The RT-Preempt patch treats soft interrupt handlers in kernel thread context, which is represented by a task_struct like a common userspace process. However it is also possible to register an IRQ in kernel context.

Converting the old Linux timer API into separate infrastructures for high resolution kernel timers plus one for timeouts, leading to userspace POSIX timers with high resolution.

在本试验中，我们取的带RT- Preempt Patch的kernel tree是git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/rt/linux-stable- rt.git，使用其v3.4-rt-rebase branch，编译kernel时选中了"Fully Preemptible Kernel"抢占模型:

───────────────────────── Preemption Model ─────────────────────────┐

│ │          ( ) No Forced Preemption (Server)                  

│ │          ( ) Voluntary Kernel Preemption (Desktop)        

│ │          ( ) Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop)     

│ │          ( ) Preemptible Kernel (Basic RT)                 

│ │          (X) Fully Preemptible Kernel (RT)       

另外，kernel中需支持tickless和高精度timer：

┌───────────────────Processor type and features ─────────────────────────┐

│ │                                      [*] Tickless System (Dynamic Ticks)                                                               

│ │                                      [*] High Resolution Timer Support       

make modules_install、make install、mkintramfs后，我们得到一个可以在Ubuntu中启动的RT kernel。具体编译方法可详见http://www.linuxidc.com/Linux/2012-01/50749.htm，根据该文修改版本 号等信息即可，我们运行的命令包括：

在grub.conf中增加新的启动entry，仿照现有的menuentry，增加一个新的，把其中的相关版本号都变更为3.4.11-rt19，我们的修改如下：

开机时选择3.4.11-rt19启动：

运行同样的测试cyclictest benchmark工具，结果迥异：

时间在可预期的范围内，没有出现标准kernel里面jitter达到331482的情况。需要说明的是，这个jitter大到超过了我们的预期，达到了10ms量级，相信是受到了我们的测试都是在Virtualbox虚拟机进行的影响。按照其他文档显示，这个jitter应该在数十us左右。

我们在这个kernel里面运行ps aux命令，可以看出线程化了的irq：

在其中编写一个RT 线程的应用程序，通常需要如下步骤：

Setting a real time scheduling policy and priority.

Locking memory so that page faults caused by virtual memory will not undermine deterministic behavior

Pre-faulting the stack, so that a future stack fault will not undermine deterministic behavior

例 子test_rt.c，其中的mlockall是为了防止进程的虚拟地址空间对应的物理页面被swap出去，而stack_prefault()则故意提 前导致stack往下增长8KB，因此其后的函数调用和局部变量的使用将不再导致栈增长（依赖于page fault和内存申请）：

编译之：gcc -o test_rt test_rt.c -lrt。本节就到这里，后续我们会有一系列博文来描述RT-Preempt Patch对kernel的主要改动，以及其工作原理。

 本文转自 21cnbao 51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/21cnbao/1011931，如需转载请自行联系原作者