XILINX ARM+FPGA Zynq-7010/20 Linux-RT案例开发手册
原创XILINX ARM+FPGA Zynq-7010/20 Linux-RT案例开发手册
原创
Linux-RT内核简介
RT-Linux(Real-Time Linux)亦称作实时Linux，是Linux中的一种硬实时操作系统，它最早由美国墨西哥理工学院的V.Yodaiken开发。
产品资料提供的Linux-RT内核应用了开源的RT PREEMPT机制进行补丁。PREEMPT_RT补丁的关键是最小化不可抢占的内核代码量，同时最小化必须更改的代码量，以便提供这种附加的可抢占性。PREEMPT_RT补丁利用Linux内核的SMP功能来添加这种额外的抢占性，而不需要完整的内核重写。
Linux-RT内核与普通Linux内核相比，几个主要的相同之处是：
- 具有相同的开发生态系统，包括相同工具链、文件系统和安装方法，以及相同的POSIX API等。
- 仍然存在内核空间和用户空间的划分。
- Linux应用程序在用户空间中运行。
Linux-RT内核与普通Linux内核在常规编程方式上的几个主要不同之处是：
- 调度策略。
- 优先级和内存控制。
- 基于Linux-RT内核的应用程序使用了调度策略后，系统将根据调度策略对其进行调优。
Linux系统实时性测试
本章节主要介绍使用Cyclictest延迟检测工具测试Linux系统实时性的方法。Cyclictest是rt-tests测试套件下的一个测试工具，也是rt-tests下使用最广泛的测试工具，一般主要用来测试使用内核的延迟，从而判断内核的实时性。
Cyclictest工具简介
Cyclictest常用于实时系统的基准测试，是评估实时系统相对性能的最常用工具之一。Cyclictest反复测量并精确统计线程的实际唤醒时间，以提供有关系统的延迟信息。它可测量由硬件、固件和操作系统引起的实时系统的延迟。
为了测量延迟，Cyclictest运行一个非实时主线程（调度类SCHED_OTHER），该线程以定义的实时优先级（调度类SCHED_FIFO）启动定义数量的测量线程。测量线程周期性地被一个到期的计时器（循环报警）所定义的间隔唤醒，随后计算有效唤醒时间，并通过共享内存将其传递给主线程。主线程统计延迟值并打印最小、最大和平均延迟时间。
参考链接：https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/tools/cyclictest/start?s[]=cyclictest
编译Cyclictest工具
将产品资料“4-软件资料\Demo\rt-linux-demos\Cyclictest\”目录下的rt-tests.tar.gz压缩包复制到Ubuntu系统，执行如下命令将其解压。
Host# tar -xvf rt-tests.tar.gz
图 1
进入解压生成的rt-tests源文件目录，执行source命令加载平台PetaLinux环境变量。命令中的PetaLinux路径请根据实际情况修改。加载完成后，在案例编译时即可依赖PetaLinux开发包自带的开发环境和运行库。
Host# cd rt-tests/
Host# source /home/tronlong/PetaLinux/settings.sh
Host# make cyclictest CC=arm-linux-gnueabihf-gcc
图 2
编译完成后，将在当前路径下生成cyclictest可执行文件，将其复制到评估板文件系统。
使用Cyclictest测试系统实时性
本次测试对比基于Linux-RT-4.9.0内核和Linux-4.9.0内核的Linux系统实时性。参照如下步骤，结合Iperf和Cyclictest工具测试系统的实时性。此处使用Iperf工具不断触发系统中断，提高中断处理负载，以便更好测试系统实时特性。
在Ubuntu执行如下命令查看IP地址，并以服务器模式启动Iperf测试。
Host# ifconfig
Host# iperf -s -i 1
图 3
分别使用Linux-RT-4.9.0内核（参考Linux系统启动卡制作及系统固化文档更换内核）和Linux-4.9.0内核（系统启动卡默认内核）启动评估板，在评估板中执行如下命令以客户端模式启动Iperf，并连接到服务器端（Ubuntu系统）。192.168.0.154为Ubuntu的IP地址，“-t3600”指定测试时间为3600秒，&表示让程序在后台运行。
Target# iperf -c 192.168.0.154 -d -t3600&
图 4
进入可执行文件cyclictest所在目录，执行如下命令测试系统实时性。
Target# ./cyclictest -t5 -p98 -m -n -D10m
图5 Linux-RT-4.9.0内核测试结果
图 6 Linux-4.9.0内核测试结果
表 1 Cyclictest测试结果说明
参数 | 解析 |
|---|---|
T(Thread) | 线程索引和线程ID |
P(Priority) | 线程的优先级 |
I(Interval) | 延迟，测量线程的预期唤醒周期 |
C(Count) | 测量延迟的次数 |
Min(Minimum) | 测量的最小延迟（单位us） |
Act(Actual) | 最近一次测量的延迟（单位us） |
Avg(Average) | 平均延时（单位us） |
Max(Maximum) | 测量的最大延迟（单位us） |
对比测试数据，可看到基于Linux-RT-4.9.0内核的系统的延时更加稳定，最大延时更低，系统实时性更佳。
Cyclictest命令参数解析可执行“./cyclictest --help”查看，如下图所示。
图 7
图 8
tl_rt_gpio_ctrl案例
案例说明
通过创建一个基本的实时线程，在线程内触发LED1的电平翻转，同时程序统计实时线程的调度延时，并通过示波器测出LED1电平两次翻转的时间间隔。
由于程序默认以最高优先级运行，为避免CPU资源被程序完全占用，导致系统被挂起，因此在程序中增加100us的延时。
程序原理大致如下：
（1）在Linux-RT内核上创建、使用实时线程。
（2）实时线程中，计算出触发LED1(/sys/class/leds/user-led0/brightness)电平翻转的系统调度延时。
案例目录下包含bin目录和src目录，其中bin目录包含经由我司验证的可执行文件，src目录包含案例源码。
案例测试
将案例bin目录下的可执行文件复制到评估板文件系统，并执行如下命令运行测试程序，再按“Ctrl+C”退出测试，串口终端将打印程序统计的延时数据，如下图所示。Error results为偏差分析结果，不是错误结果。
Target# ./tl_rt_gpio_ctrl
图 9
同时使用示波器捕捉LED1两次电平翻转之间的间隔就对应上线程调度的延迟，测试点为R34电阻一端。
图 10
算出电平两次翻转的时间间隔为∆x=123.0us，如下图所示。由于程序中默认增加了100us的时间延时，实际延时应为：123.0us-100us=23.0us，与程序统计平均值23us基本一致。
图 11
案例编译
将产品资料“4-软件资料\Demo\rt-linux-demos\tl_rt_gpio_ctrl\”案例源码复制到Ubuntu。进入案例源码目录，执行如下命令加载平台的PetaLinux环境变量，编译案例生成可执行文件。
Host# source /home/tronlong/PetaLinux/settings.sh
Host# CC=arm-linux-gnueabihf-gcc CXX=arm-linux-gnueabihf-g++ make
图 12
关键代码
（1）创建一个基于PREEMPT_RT的实时任务，具体操作包括内存锁定、线程堆栈内存设置、调度策略和优先级配置等。
图 13
（2）在线程中打开LED文件节点，并对LED状态进行翻转。
图 14
（3）统计调度时间延时情况。
图 15
tl_rt_input案例
案例说明
通过创建一个基本的实时线程，在线程内打开input设备，并对按键事件进行监听，然后触发评估底板LED1的电平翻转，再通过示波器测量按键触发到LED1电平翻转期间的实际耗时。程序原理大致如下：
（1）在Linux-RT内核上创建、使用实时线程。
（2）实时线程中对打开的input设备节点进行按键事件监听，通过判断监听得到的按键事件来触发LED1(/sys/class/leds/user-led0/brightness)的电平翻转。
案例测试
将案例bin目录下的可执行文件复制到评估板文件系统，并执行如下命令运行测试程序，程序运行后按下KEY1(SW1)按键点亮LED1，松开按键后LED1熄灭，再按“Ctrl+C”退出测试程序。
Target# ./tl_rt_input
图 16
分别使用示波器探头1测量按键KEY1管脚1，使用示波器探头2测量LED电路R31电阻一端。
图 17
图 18
从按键下降沿触发的开始（下图黄线）到LED上升沿触发的完成（下图绿线）的时间间隔，即为系统实时捕获按键输入时间并响应触发LED电平翻转的时间Δx，从图中可看到Δx = 80.0us。
图 19
补充说明：
基础设备树文件中需将消抖延时参数debounce-interval配置为0（默认已为0）。如没有对其进行配置，驱动会将其设置成默认的参数值5ms，此时示波器测试结果约为5ms。在硬件特性上，由于按键电压由低电平上拉到高电平比较缓慢（实际测试中延时约为80us），因此本次测试实时事件的输入采用下降沿触发方式。
案例编译
将产品资料“4-软件资料\Demo\rt-linux-demos\tl_rt_input\”案例源码复制到Ubuntu。进入案例源码目录，执行如下命令加载平台的PetaLinux环境变量，编译案例生成可执行文件。
Host# source /home/tronlong/PetaLinux/settings.sh
Host# CC=arm-linux-gnueabihf-gcc CXX=arm-linux-gnueabihf-g++ make
图 20
关键代码
（1）创建一个基于PREEMPT_RT的实时任务，具体操作包括内存锁定、线程的堆栈内存设置、调度策略和优先级配置等。
图 21
（2）在线程中打开input设备节点并监听按键事件，同时触发LED电平的翻转。
图 22
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
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