By Toradex 胡珊逢
1). 简介
对于实时、决策或者低延时应用，Linux能够提供多种方案。第一种方法是和 Linux 内核一起运行一个hypervisor或者co-kernel。这种方案中hypervisor或者co-kernel的优先级高于 Linux，实时任务则运行于其中。另外一种方式是使用非对称异构多核系统，Linux和另外一个实时内核分别运行在不同处理器内核上。最后，还可使 Linux 更具抢占性从而提高其实时性能。这通常可以通过 PREEMPT_RT 补丁实现。本文就基于Toradex Colilbri iMX6 ARM计算机模块系统着重介绍如何部署病测试PREEMPT_RT 补丁。
2). 部署
a). 下载 Linux 内核源码
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Toradex-ubuntu$ git clone -b toradex_4.1-2.0.x-imx git://git.toradex.com/linux-toradex.git
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或者从 FTP 下载
ftp://ftp.toradex.cn
Linux/I.MX6/SourceCode/v2.7/linux-toradex.tar.gz
b). 下载rt补丁
ftp://ftp.toradex.cn
Linux/I.MX6/RT-Linux/Linux4.1.35/patch.tar.gz
c). 安装补丁
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Toradex-ubuntu $cdlinux-toradex
Toradex-ubuntu $ patch -p1 < ../patch/patch-4.1.35-rt41.patch
Toradex-ubuntu $ patch -p1 < ../patch/0001-fix-build.patch
Toradex-ubuntu $ patch -p1 < ../patch/0002-fix-build.patch
Toradex-ubuntu $ patch -p1 < ../patch/0003-Work-around-CPU-stalls-in-the-imx-sdma-driver.patch
Toradex-ubuntu $ patch -p1 < ../patch/0004-export-swait-locked-functions.patch
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注意，根据所在的目录，需要调整 patch 命令–p 的参数。
d). 配置内核
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Toradex-ubuntu $ make colibri_imx6_defconfig
Toradex-ubuntu $ make menuconfig
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勾选下面选项
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./ Kernel Features --->Preemption Model (Fully Preemptible Kernel (RT)) --->(X) Fully Preemptible Kernel (RT)
./ Timer frequency (100 Hz) --->(X) 1000 Hz
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虽然在 Linux 使用了rt补丁，但是Linux 的大部分驱动却并不是使用PREEMPT_RT API，这些驱动的存在会影响实时性能，特别是显示驱动。因此，如果你的应用中不需要显示功能，那么可以在 Linux 内核配置中禁用它，以及其他你所不需要的功能。设备驱动位于下面位置:
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Device Drivers --→
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e). 编译内核
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Toradex-ubuntu $ make -j4 uImage LOADADDR=10008000
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3). 测试
a). 这里我们也将使用 console image（无图形界面）的镜像作为测试。
ftp://ftp.toradex.cn/
Linux/I.MX6/RT-Linux/Linux4.1.35/Colibri_iMX6_LinuxConsoleImageV2.7_20170308.tar.bz2
b). 根据这里说明将上面console image更新到Colibri iMX6模块上面， 然后用上一章节编译出的uImage 替换Colibri iMX6 上的内核，并重新启动。
c). 在没有使用 PREEMPT_RT 补丁的 Linux 中，cyclictest测试如下，测试过程中使用 stress 增加 CPU负荷
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root@colibri-imx6:~# uname -a
Linux colibri-imx6 4.1.35-v2.7b1+gc117783 #1 SMP Thu Jan 19 09:06:57 CST 2017 armv7l GNU/Linux
root@colibri-imx6:~# stress -c 2 &
[1] 535
root@colibri-imx6:~# stress: info: [535] dispatching hogs: 2 cpu, 0 io, 0 vm, 0 hdd
root@colibri-imx6:~# cyclictest -n -p 80 -t -D10m
# /dev/cpu_dma_latency set to 0us
policy: fifo: loadavg: 2.00 1.79 1.04 3/74 541
T: 0 ( 539) P:80 I:1000 C: 599994 Min: 10 Act: 13 Avg: 13 Max: 826
T: 1 ( 540) P:80 I:1500 C: 399996 Min: 10 Act: 13 Avg: 13 Max: 42
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d). 使用 PREEMPT_RT 补丁后，做同样的测试
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root@colibri-imx6:~# uname -a
Linux colibri-imx6 4.1.35-rt41 #1 SMP PREEMPT RT Wed Mar 8 11:41:31 CST 2017 armv7l GNU/Linux
root@colibri-imx6:~# stress -c 2 &
[1] 526
root@colibri-imx6:~# stress: info: [526] dispatching hogs: 2 cpu, 0 io, 0 vm, 0 hdd
root@colibri-imx6:~# cyclictest -n -p 80 -t -D10m
# /dev/cpu_dma_latency set to 0us
policy: fifo: loadavg: 2.00 1.78 1.01 3/114 535
T: 0 ( 530) P:80 I:1000 C: 599994 Min: 14 Act: 20 Avg: 18 Max: 71
T: 1 ( 531) P:80 I:1500 C: 399996 Min: 14 Act: 16 Avg: 17 Max: 50
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通过对比测试发现，使用 PREEMPT_RT 补丁后，最大延时由 826us 降到 71us。
4). 总结
PREEMPT_RT通过软件的方法提高普通 Linux 的实时能力，但这仍然不是真正意义上的实时，正如上面的测试，还是会出现数十微秒的延时，当系统的负荷增加时，可能出现更长的延时情况。Colibri iMX7 上的 M4 内核可以运行FreeRTOS，从而提供真正的实时操作系统。详细的情况，请参考Toradex举办的网络研讨会《使用嵌入式 Linux 进行实时系统开发》
