最近接觸實(shí)時(shí)系統(tǒng)Xenomai，該文章整理記錄X86 ubuntu環(huán)境下xenomai 內(nèi)核編譯、xenomai應(yīng)用環(huán)境搭建步驟，其他硬件架構(gòu)（如arm、arm64）類似，先在X86上安裝好環(huán)境才能更好的開發(fā)驗(yàn)證xenomai程序吧，更多信息見文末參考鏈接，希望對你有所幫助。

一、概要

xenomai是眾多inux實(shí)時(shí)性解決方案中的一種，通過在linux的基礎(chǔ)上添加一個(gè)RTOS內(nèi)核cobalt，來提高linux的實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)內(nèi)核cobalt與非實(shí)時(shí)內(nèi)核linux相結(jié)合，既能提供工業(yè)級RTOS的硬實(shí)時(shí)性能，又能利用linux操作系統(tǒng)非常出色的網(wǎng)絡(luò)和圖形界面服務(wù)，在產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本控制方面都有巨大優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)如下：

主要有3部分，xenomai的移植構(gòu)建也是圍繞這三部分來進(jìn)行：

1. 用戶空間中的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序庫libcobalt；

2. 內(nèi)核空間中的實(shí)時(shí)內(nèi)核Cobalt；

3. 硬件架構(gòu)與Linux內(nèi)核版本相關(guān)層 ipipe-core或dovetail。

libcobalt和Cobalt的源碼隨xenomai更新，位于同一源碼包內(nèi)，ipipe-core和dovetail則與硬件架構(gòu)和具體linux版本相關(guān)，以補(bǔ)丁的方式提供，需要單獨(dú)下載；

由于一些ipipe維護(hù)困難的關(guān)系，從linux5.4以上版本不再提供ipipe，ipipe由dovetail替代。

所以如果你的linux內(nèi)核版本在5.4以上版本的話需要使用dovetail。

總的來說，ipipe-core和dovetail實(shí)現(xiàn)必要功能的同時(shí)，也是xenomai與硬件架構(gòu)、linux版本間的解耦層，社區(qū)提供了常見架構(gòu)下各linux版本的補(bǔ)丁。xenomai的移植步驟如下：

1. 準(zhǔn)備好ipip-core或dovetail補(bǔ)丁，對linux5.4以下版本使用ipipe-core，linux5.4以上版本需要dovetail替代。

2. 打cobalt內(nèi)核補(bǔ)丁，編譯構(gòu)建內(nèi)核。

3. libcobalt庫編譯安裝，設(shè)置環(huán)境變量。

步驟1中的源碼文件也可直接從xenomai維護(hù)分支直接拉取，直接對拉取的代碼進(jìn)行步驟2、3即可。

• 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已經(jīng)不區(qū)分ARM、X86了，dovetail區(qū)別與ipipe，ipipe是與linux中斷管理分離，linux中斷管理在其之上，ipipe部分需要大量直接對接arch部分的代碼，這樣主線內(nèi)核代碼的不斷變化會導(dǎo)致社區(qū)開發(fā)人員需要對每個(gè)linux主線版本做適配和支持，這也就是為什么我們在構(gòu)建xenomai系統(tǒng)時(shí)需要ipipe與linux版本匹配的原因，同時(shí)也可以看到，ipipe支持的版本總是落后于linux主線版本（大家應(yīng)該聯(lián)想到逐步合入主線的PREEMT-RT了吧）。

dovetail區(qū)別與ipipe，它是在已有l(wèi)inux中斷管理代碼上進(jìn)行擴(kuò)展，為實(shí)時(shí)核提供與ipipe相同的功能，這樣可以隨著主線發(fā)展，與架構(gòu)相關(guān)的代碼大大減少，大大降低了社區(qū)維護(hù)工作量，同時(shí)linux主線穩(wěn)定版本確定后能第一時(shí)間進(jìn)行支持，對它們的對比介紹詳情可見xenomai官網(wǎng)和EVL project。

二、環(huán)境準(zhǔn)備

2.1 安裝內(nèi)核編譯工具

編譯Linux內(nèi)核需要的工具包如下，可能不全，可根據(jù)編譯時(shí)的錯(cuò)誤提示安裝缺少的工具。

 sudo apt-get install gcc libncurses-dev flex bison openssl-dev libssl-dev dkms libelf-dev libudev-dev libpci-dev libiberty-dev build-dep

2.2 準(zhǔn)備內(nèi)核及補(bǔ)丁文件

內(nèi)核：下載linux源碼，linux內(nèi)核源碼網(wǎng)址：https://www.kernel.org/。

對于需要使用ipipe補(bǔ)丁文件的內(nèi)核版本：下載與linux版本對應(yīng)的ipipe-core補(bǔ)丁，最好先瀏覽https://xenomai.org/downloads/ipipe/v4.x/看xenomai提供了哪些linux版本的補(bǔ)丁，再去下載對應(yīng)linux內(nèi)核源碼。

對于5.4以上的內(nèi)核版本：https://xenomai.org/downloads/dovetail/?C=M;O=A中選取對應(yīng)內(nèi)核版本的dovetail補(bǔ)丁。

xenomai內(nèi)核源碼包：到xenomai官網(wǎng)下載最新xenomai源碼包。

對于ipipe，本文選用以下版本作為示例：

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

一般來說，如果沒有找到與你使用的內(nèi)核版本一致的ipipe-core補(bǔ)丁，linux相近版本linux-4.19.zzz，只要版本zzz跨度不大，也可使用相近的補(bǔ)丁代替，但是不能保證與指定版本一致，可能有bug，若對xenomai地層不熟悉，用于生產(chǎn)環(huán)境最好還是指定版本。

對于dovetail，由于使用的ubuntu環(huán)境內(nèi)核為linux 5.13，使用社區(qū)的維護(hù)的dovetail 5.13分支(或者讀者下載內(nèi)核源碼和與之匹配的dovetail補(bǔ)丁也是可以的，這里只是示例，不建議使用5.13，詳見3.2 打dovetail補(bǔ)丁小節(jié))，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

說明：筆者將上面的文件，統(tǒng)一放到了/home/work/xenomai(家目錄~)目錄下。文中涉及絕對路徑時(shí)，還請讀者注意。

三、內(nèi)核安裝流程

3.1 打ipipe補(bǔ)丁

設(shè)置針對5.4版本以下內(nèi)核使用ipipe的配置示例，如果你使用的是dovetail請看3.2小結(jié)。

解壓linux內(nèi)核源碼：

$tar -xvf linux-4.19.114.tar.xz

進(jìn)入linux內(nèi)核源碼目錄打ipipe補(bǔ)丁：

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

3.2 打dovetail補(bǔ)丁

先克隆社區(qū)dovetail倉庫：

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

切換到5.13分支：

git chech v5.13-dovetail-rebase

注：對于5.13只有v5.13-dovetail-rebase分支，表示未經(jīng)過測試，最好選擇不帶rebase的版本，否則編譯等都有問題。

這樣就可以了，等會在該倉庫進(jìn)行xenomai內(nèi)核編譯。

或者與3.1一樣，下載內(nèi)核源碼與之對應(yīng)的dovetail補(bǔ)丁https://xenomai.org/downloads/dovetail/patch-5.13-dovetail1.patch.bz2，進(jìn)行：

解壓linux內(nèi)核源碼：

注：這里使用的ubuntu發(fā)新版內(nèi)核。

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

進(jìn)入linux內(nèi)核源碼目錄打ipipe補(bǔ)丁：

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

3.3 添加xenomai內(nèi)核

解壓xenomai源碼包:

$tar -xvf xenomai-3.1.tar.bz2

進(jìn)入xenomai源碼目錄xenomai-3.1/scripts,使用腳本prepare-kernel.sh對linux內(nèi)核源碼打cobalt內(nèi)核補(bǔ)丁；

$cd xenomai-3.0.8/scripts

腳本prepare-kernel.sh使用幫助如下：

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

其中主要參數(shù)為：

--linux=指定linux源碼的絕對路徑；

--ipipe=指定ipipe補(bǔ)丁。如果已經(jīng)手動對linux源碼打ipipe補(bǔ)丁，則不需要指定該參數(shù)。

--arch=指定硬件架構(gòu)，x86_64、arm、arm64

outpatch=指定輸出xenomai patch（絕對路徑）。默認(rèn)情況下如果不使用該參數(shù)，prepare-kernel.sh打cobalt內(nèi)核補(bǔ)丁時(shí)，只會在linux源碼目錄建立與cobalt源碼的軟連接文件，這樣的話，如果xenomai源碼移動了就會有很多問題，所以推薦使用該參數(shù)生成xenomai內(nèi)核的補(bǔ)丁，再去對linux使用該補(bǔ)丁。這樣linux源碼內(nèi)的cobalt內(nèi)核相關(guān)源碼文件就不是鏈接文件了，今后再次構(gòu)建時(shí)也直接使用該補(bǔ)丁，省事。

我們在上一個(gè)步驟已經(jīng)對linux源碼打了ipipe補(bǔ)丁，這里就只使用prepare-kernel.sh生成cobalt內(nèi)核的補(bǔ)丁cobalt-core-3.1-4.19.114.patch，再對linux內(nèi)核源碼使用該補(bǔ)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源碼目錄使用補(bǔ)丁：

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

到此，內(nèi)核源碼已經(jīng)制作完畢。下面開始配置編譯內(nèi)核。

3.4 xenomai 內(nèi)核配置

xenomai基于linux，xenomai作為一個(gè)小的實(shí)時(shí)核存在，許多硬件配置是linux 驅(qū)動掌管的，比如內(nèi)存、電源管理，所以必須讓linux配置好，給xenomai提供一個(gè)好的軟硬件環(huán)境。

3.4.1 ipipe xenomai 內(nèi)核配置

設(shè)置針對5.4版本以下內(nèi)核使用ipipe的配置示例，如果你使用的是dovetail請看3.4.2小結(jié)。

這里示范使用的是內(nèi)核默認(rèn)的x86_64_deconfig文件。

注意：使用默認(rèn)config文件，會包很多無用的驅(qū)動，編譯會占用很多時(shí)間，然而裁剪驅(qū)動需要對內(nèi)核各模塊熟悉，且需要大量時(shí)間。對于新手來說，快捷的辦法是找一個(gè)發(fā)行版(如Ubuntu)，從相近版本內(nèi)核安裝包中提取config文件，在該config基礎(chǔ)上進(jìn)行xenomai配置，這樣比較好。

$makeolddefconfig
$make menuconfig

進(jìn)入menuconfig界面，會看影響xenomai實(shí)時(shí)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. ***

依次進(jìn)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

說明：設(shè)置LOCALVERSION是為了啟動時(shí)好分辨是xenomai內(nèi)核還是普通linux內(nèi)核。

到此內(nèi)核基本配置完畢，要充分發(fā)揮xenomai的實(shí)時(shí)性的配置遠(yuǎn)不止于此，還需要對linux進(jìn)行深度配置，那是優(yōu)化的事情，以后再說，下面開始進(jìn)行內(nèi)核編譯。

3.4.2 dovetail xenomai 內(nèi)核配置

由于ubuntu內(nèi)核也是5.13，這里復(fù)用ubuntu自帶內(nèi)核的config文件，在此文件上進(jìn)行xenomai內(nèi)核配置文件。

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

注意：使用挨默認(rèn)config文件，會包很多無用的驅(qū)動，編譯會占用很多時(shí)間，然而裁剪驅(qū)動需要對內(nèi)核各模塊熟悉，且需要大量時(shí)間。對于新手來說，快捷的辦法是找一個(gè)發(fā)行版(如Ubuntu)，從相近版本內(nèi)核安裝包中提取config文件，在該config基礎(chǔ)上進(jìn)行xenomai配置，這樣比較好。

$make menuconfig

配置過程與3.4.1 小節(jié)一致。

3.5內(nèi)核編譯與安裝

對于ipipe或者dovet，后面的步驟是一樣的，不再重復(fù)說明。

a) 編譯構(gòu)建xenomai內(nèi)核debian安裝包

對于基于debian衍生的發(fā)行版(如debian、Ubuntu、elementary、OpenGEU，Linux Mint等)來說，內(nèi)核編譯安裝比較簡單，使用以下命令，可直接編譯生成用于安裝的debian包(.deb)，安裝過程也無需額外設(shè)置，若讀者使用的不是Ubuntu系統(tǒng)，請看后面的分步安裝內(nèi)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

編譯時(shí)間取決于主機(jī)配置，編譯完成后會在源碼目錄的上級目錄生成內(nèi)核安裝包，筆者這里如下：

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

使用dpkg命令安裝內(nèi)核(需要超級權(quán)限)：

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

安裝后直接重啟，grub高級選項(xiàng)中選擇新安裝的內(nèi)核啟動即可。

若不想使用deb的方式安裝，也可通過如下步驟安裝：

• 編譯：

$make -j$(nproc)

使用-j啟動多線程編譯，其中命令nproc得到機(jī)器邏輯CPU核數(shù)。編譯后編譯內(nèi)核模塊：

$make modules_install

• 安裝：

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

• 配置grub引導(dǎo)：

$sudo update-grub

b) 分步編譯內(nèi)核并安裝

上面的步驟只適用于基于debian衍生的X86系統(tǒng)，其中諸如命令update-grub其實(shí)是對原始的裝步驟的腳本封裝，更為原始的內(nèi)核編譯安裝步驟如下，理論上支持所有x86系統(tǒng)。

• 編譯

$make -j$(nproc)

使用-j啟動多線程編譯，其中命令nproc得到機(jī)器邏輯CPU核數(shù)。編譯后編譯內(nèi)核模塊：

$make modules_install

• 安裝

拷貝內(nèi)核到/boot目錄

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

拷貝內(nèi)核符號文件System.map（可省略）：

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

拷貝.config文件（可省略）：

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

安裝內(nèi)核文檔（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引導(dǎo)：

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

安裝后直接重啟，grub高級選項(xiàng)中選擇新安裝的內(nèi)核啟動即可，下面編譯安裝用戶空間實(shí)時(shí)庫libcobalt。

四、安裝xenomai庫

4.1 編譯安裝實(shí)時(shí)庫libcobalt

同樣，如果你使用的是Ubuntu系統(tǒng)的話，xenomai庫可直接編譯生成安裝包，否則的話需要一步一步配置編譯、安裝、設(shè)置環(huán)境變量。

a) 編譯構(gòu)建xenomai庫debian安裝包

進(jìn)入xenomai源碼目錄：

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

• 編譯

直接執(zhí)行debain包編譯命令：

$debuild -us -uc
若找不到該命令則需要安裝
$sudo  apt-get install devscripts

編譯后同樣會在上級目錄生成debian安裝包如下：

$ 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的共享庫；xenomai-kernel-source_2.99.0_all.deb：xenomai內(nèi)核源碼；libxenomai-dev_2.99.0_amd64.deb：xenomai頭文件和靜態(tài)庫；xenomai-runtime_2.99.0_amd64.deb：xenomai運(yùn)行時(shí)組件； 對于開發(fā)環(huán)境，需要安裝xenomai-kernel-source_2.99.0_all.deb和libxenomai-dev_2.99.0_amd64.deb，對于生產(chǎn)系統(tǒng)，只需要安裝xenomai-runtime_2.99.0_amd64.deb和libxenomai1_2.99.0_amd64.deb。

• 安裝

直接使用dpkg安裝：

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

這種方法安裝的xenomai庫與b)方法安裝的位置不同，不需要額外設(shè)置環(huán)境變量,因?yàn)閐ebian包安裝的時(shí)候已經(jīng)通過hook腳本自動設(shè)置了，感興趣可以使用dpkg-deb -R將libxenomai1_2.99.0_amd64.deb解包,查看其hook腳本。進(jìn)入xenomai測試程序目錄/usr/lib/xenomai/testsuite/(該目錄沒有在環(huán)境變量內(nèi)，所以需要進(jìn)入目錄后執(zhí)行），運(yùn)行latency，測試xenomai實(shí)時(shí)任務(wù)定時(shí)延遲。

/usr/lib/xenomai/testsuite$ ./latency 
== Sampling period: 100 us
== Test mode: periodic user-mode task
== All results in microseconds
warming up...
RTT|  0011  (periodic user-mode task, 100 us period, priority 99)
RTH|----lat min|----lat avg|----lat max|-overrun|---msw|---lat best|--lat worst

b) 分步編譯安裝xenomai庫

對于非基于debian的發(fā)行版或是嵌入式系統(tǒng)，需要一步一步配置、編譯、安裝、配置環(huán)境變量來完成。

進(jìn)入xenomai源碼目錄：

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

• 配置:

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

通過./configure --help可查看配置幫助，配置說明更多參考xenomai官方安裝文檔，這里不再說明。

• 創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)安裝目錄

mkdir -p build

• 編譯安裝到這個(gè)目錄：

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

編譯安裝后，xenomai庫等文件在build/目錄下，將build文件夾下所有內(nèi)容拷貝到rootfs(目標(biāo)根文件系統(tǒng))中即可。臨時(shí)安裝到build目錄的目的是，如果需要在其他機(jī)器上部署，可不用再次編譯，直接將該目錄內(nèi)容拷貝到目標(biāo)文件系統(tǒng)根目錄即可。

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

也可以直接編譯安裝到系統(tǒng)中：

make -j$(nproc) install

• 配置環(huán)境變量：

在目錄/etc/profile.d/下創(chuàng)建文件xenomai環(huán)境變量文件xenomai.sh，文件內(nèi)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

前半部分是xenomai環(huán)境變量，后半部分是常用的命名別名(快捷命令)，具體含義后面的文章會介紹到；

由于xenomai實(shí)時(shí)任務(wù)是在linux軟實(shí)時(shí)任務(wù)基礎(chǔ)上創(chuàng)建的，而linux實(shí)時(shí)任務(wù)的創(chuàng)建需要權(quán)限，所以還需要配置用戶組允許非root用戶運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)。創(chuàng)建用戶組xenomai，并將當(dāng)前非root用戶與root用戶加入用戶組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命令行參數(shù)中添加用戶組信息xenomai.allowed_group=1234,其中1234表示用戶組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

重新啟動選擇xenomai內(nèi)核，進(jìn)入系統(tǒng)打開終端,直接執(zhí)行latency測試xenomai實(shí)時(shí)性。

$ latency 
== Sampling period: 100 us
== Test mode: periodic user-mode task
== All results in microseconds
warming up...
RTT|  0011  (periodic user-mode task, 100 us period, priority 99)
RTH|----lat min|----lat avg|----lat max|-overrun|---msw|---lat best|--lat worst

五、X86 平臺xenomai實(shí)時(shí)性測試

下面是筆者一臺工控板上的測試數(shù)據(jù)，供大家參考。

使用的環(huán)境如下：

CPU	intel 賽揚(yáng) 3865U@1.8GHZ
Kernel	Linux 4.4.200
操作系統(tǒng)	Ubuntu 16.04
內(nèi)存	8GB DDR3-1600 雙通道
存儲	64GB EMMC

測試條件：一個(gè)QT應(yīng)用程序繪制2維曲線圖，只有QT CPU占用率就達(dá)到99%，在此基礎(chǔ)上使用stress添加壓力，創(chuàng)建10個(gè)CPU密集型任務(wù)（不斷計(jì)算平方根），4個(gè)內(nèi)存壓力任務(wù)（不斷的執(zhí)行內(nèi)存分配-賦值-讀取校驗(yàn)-釋放操作，每次操作內(nèi)存大小為256MB）。

stress -c 10 -m 4

測試時(shí)間：21155
測試命令：

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

測試應(yīng)用空間程序，優(yōu)先級99，任務(wù)周期100us，測試結(jié)果輸出到文件result.txt。經(jīng)過接近10天的測試后，文件result.txt中l(wèi)atency分布結(jié)果如下：

# 21155 (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

其中第一列數(shù)據(jù)表示latency的值，第二列表示該值與上一個(gè)值之間這個(gè)范圍的latency出現(xiàn)的次數(shù)，最小0.343us，平均latency 1.078us，最大23.110us。系統(tǒng)高負(fù)載情況下還能有這么好的表現(xiàn)，可見xenomai的實(shí)時(shí)性還是挺不錯(cuò)的。

這還只是xenomai應(yīng)用空間任務(wù)的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)，如果使用內(nèi)核空間任務(wù)會更好。當(dāng)然這只能說明操作系統(tǒng)能提供的實(shí)時(shí)性能，具體的還要看應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)等等。

此外，X86平臺實(shí)時(shí)性與BIOS有很大關(guān)系，通常BIOS配置CPU具有更高的吞吐量，例如超線程等，畢竟BIOS不是普通開發(fā)者能接觸到的，如果能讓BIOS對CPU針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)配置的話，實(shí)時(shí)性會更好。比如下圖所示：平均抖動幾乎在100納秒以內(nèi)。

六、arm架構(gòu)安裝xenomai

主要是事先移植linux內(nèi)核和u-boot,它們跑起來后才能進(jìn)行xenomai實(shí)時(shí)性改造。其他的就與上面步驟大同小異。步驟如下：

a)對移植好的linux內(nèi)核打ipipe補(bǔ)丁。

b)打xenomai cobalt內(nèi)核補(bǔ)丁。

c)交叉編譯（普通嵌入式內(nèi)核編譯）

d)安裝zImage，若有內(nèi)核模塊安裝內(nèi)核模塊

e)交叉編譯xenomai庫

ARM配置選項(xiàng)和編譯標(biāo)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

這里以cortex-A8 am335x為例：

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=參數(shù)指定交叉編譯工具鏈，CFLAGS=指定目標(biāo)架構(gòu)，是否使用硬浮點(diǎn)等。

• 創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)安裝目錄

mkdir -p build-arm

• 編譯安裝到build-arm目錄：

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

編譯安裝后，xenomai庫等文件在$(pwd)/build/xenomai目錄下，將xenomai文件夾拷貝到rootfs/usr中即可。

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

或者將xenomai文件夾進(jìn)行壓縮，然后需要時(shí)直接解壓到rootfs/usr中,這種方式便于后續(xù)安裝。

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

解壓到rootfs：

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

f)配置環(huán)境變量

與上面一樣，在目錄/etc/profile.d/下創(chuàng)建文件xenomai環(huán)境變量文件xenomai.sh，文件內(nèi)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

也可將這些內(nèi)容直接放到/etc/profile中。

g)配置linux命令行參數(shù)

arm嵌入式系統(tǒng)一般都是root用戶，不需要設(shè)置用戶組，如果不是，請如上文所示建立用戶組。修改u-boot向內(nèi)核傳遞內(nèi)核參數(shù)，或者修改設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)，添加內(nèi)核參數(shù)屬性并賦值。

更多參考：http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/xenomai

七、ARM 平臺xenomai實(shí)時(shí)性測試

CPU	雙核cortex-A15@1.5GHZ
Kernel	Linux 4.19.85 + xenomai 3.1
內(nèi)存	2GB DDR3
存儲	4GB EMMC
以下均在壓力stress -c 10 -m 4下測試,時(shí)間2小時(shí)，定時(shí)周期100us，優(yōu)先級99。

7.1 IRQ-timer handler

# 0200 (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 內(nèi)核態(tài)任務(wù)

# 0121 (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 用戶態(tài)任務(wù)

# 0200 (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平臺xenomai與VxWorks 實(shí)時(shí)性能對比，可參見本博客其他文章。

八、arm64架構(gòu)安裝xenomai

最近[2020.11.11]入手一個(gè)樹莓派4B，想看看xenomai在樹莓派上的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)，就搞了一下，便更新文章記錄下來.

這里用樹莓派4b來說明，具體步驟以上類似，需要注意的是，選擇內(nèi)核的時(shí)候盡量使用與ipipe支持版本相近的分支來打補(bǔ)丁,目前ipipe還不支持5.x的內(nèi)核，所以這里使用分支rpi-4.19.y，ipipe使用ipipe-core-4.19.124-cip27-arm64-07.patch。

git clone --depth=1 --branch rpi-4.19.y https://github.com/raspberrypi/linux

打ipipe補(bǔ)丁的時(shí)候有一些小沖突，自己對著源碼手動補(bǔ)充一下就行。樹莓派4B還有一些中斷控制器未進(jìn)行ipipe修復(fù)，可參見https://blog.csdn.net/chensong_2000/article/details/106556100

接下了的步驟與上面一致，如果嫌麻煩的朋友可以直接克隆：

git clone https://gitlab.com/wsg199600/rpi-xenomai.git

配置

make bcm2711_xenomai_defconfig

審核編輯 ：李倩