關(guān)鍵詞：
arm
linux
real-time
摘要：本文概括介紹了在應(yīng)用處理器上使用 Linux作為操作系統(tǒng)開發(fā)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的解決方案。對于想要使用微處理器并且關(guān)注實(shí)時(shí)控制和決策的開發(fā)者，這可以作為入門。我們展示了使用異構(gòu)多核處理的 SoC 硬件方案，以及兩個(gè)基于軟件的方法：Linux-RT Patch 和Xenomai。演示的結(jié)果并不是為了對比操作系統(tǒng)或者實(shí)時(shí)技術(shù)。每一種方法都具有優(yōu)勢和劣勢，最終還是取決于應(yīng)用場景。
應(yīng)用處理器的應(yīng)用范圍越來越廣泛。系統(tǒng)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(shè)備統(tǒng)治的市場。這種趨勢由幾個(gè)因素造成：
通常和 IoT 相關(guān)的強(qiáng)烈互聯(lián)需求，不僅從硬件上，也有軟件、協(xié)議以及安全相關(guān)方面
深度互動(dòng)界面的要求，例如多點(diǎn)觸控、高分辨率顯示以及豐富的圖形界面
隨著SoC的量產(chǎn)以及新產(chǎn)品功能提高，SoC 的價(jià)格在下降
作為支持上面論述的典型案例是我們消費(fèi)者每天都看到產(chǎn)品的重新設(shè)計(jì)，從微控制器升級到微處理器。這種遷移伴隨著新的挑戰(zhàn)，例如設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，操作系統(tǒng)的抽象層也更加繁雜。使用應(yīng)用處理器所帶來的復(fù)雜硬件設(shè)計(jì)的難題可以被公版參考設(shè)計(jì)以及使用現(xiàn)成的計(jì)算機(jī)模塊/系統(tǒng)模塊或者單板電腦所克服。在操作系統(tǒng)層面，嵌入式Linux系統(tǒng)已經(jīng)在行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。大量的開源工具簡化功能豐富的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。如果使用微控制器，類似的開發(fā)工作將變得復(fù)雜和耗時(shí)。盡管有著諸多的好處，使用類似Linux 操作系統(tǒng)仍舊產(chǎn)生了不少的質(zhì)疑和缺乏信心，熱別是針對實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。
開發(fā)人員通常的做法是將實(shí)時(shí)任務(wù)和一般任務(wù)分?jǐn)偟讲煌奶幚砥魃稀Ｒ虼耍愃婆c Cortex-A的處理器主要用于多媒體和聯(lián)網(wǎng)功能，而微控制器則仍然被用作處理實(shí)時(shí)、關(guān)鍵性任務(wù)。本文旨在為開發(fā)人員提供一些建議，當(dāng)他們需要使用應(yīng)用處理器完成實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)候。
測試實(shí)時(shí)性能
現(xiàn)在有許多 benchmark工具可以用于評估軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(tǒng)性能。為了看到結(jié)果，我們測量由嵌入系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)GPIO 產(chǎn)生的方波抖動(dòng)。用這種方法，我們可以簡單、快速地分析實(shí)時(shí)性能，并提供初步的優(yōu)化建議。我們開發(fā)了一個(gè)以2.5KHz（200μsHigh / 200μs Low） 頻率翻轉(zhuǎn) GPIO的應(yīng)用。用示波器連接 GPIO，測試方波和輸出時(shí)序。
圖1：抖動(dòng)測試
標(biāo)準(zhǔn) Linux 測試結(jié)果如圖2所示。翻轉(zhuǎn) GPIO的應(yīng)用配置為實(shí)時(shí)任務(wù)(SCHED_RR)，內(nèi)核配置了Voluntary Kernel Preemption(CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY)。
圖2：使用標(biāo)準(zhǔn) Linuxe內(nèi)核配置的方波抖動(dòng)分布圖
測試結(jié)果表面只有 92% 的波形在 ±10%的誤差以內(nèi)。最差的測量結(jié)果顯示延時(shí)超過 15ms，逾 3700% 的誤差。
Real-Time Linux
本文中我們采用第一個(gè)方式是軟件相關(guān)的。Linux 并不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但是許多項(xiàng)目在很大程度上提高了 Linux 的決策能力和實(shí)時(shí)性。其中一個(gè)項(xiàng)目是Real-Time Linux project。Real-Time Linux是一系列的補(bǔ)丁（PREEMPT_RT），為 Linux 內(nèi)核提供新的強(qiáng)占機(jī)制，以及其他的功能和工具，使其更加適合于實(shí)時(shí)任務(wù)。你可以在其官方 Real-Time Linux Wiki （之前在這里）上找到應(yīng)用 PREEMPT_RT 補(bǔ)丁和應(yīng)用開發(fā)的文檔。
我們在 ColibriiMX6DL 上使用PREEMPT_RT 來驗(yàn)證實(shí)時(shí)性能的改進(jìn)。在 Toradex Linux 鏡像中部署PREEMPT_RT 補(bǔ)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(bǔ)丁的 Linux 的實(shí)時(shí)強(qiáng)占測試結(jié)果。結(jié)果表明只有0,002%的波形超過±10% 的誤差。最差的結(jié)果（0,106us）也只有 25% 的誤差，相比于標(biāo)準(zhǔn) Linux（圖2）這是一個(gè)很大的提高。
圖3：使用 Preempt-RT內(nèi)核配置方波抖動(dòng)分布圖
使用 PREEMPT_RT 補(bǔ)丁的軟件方案 CodesysSolutions。其依靠 Real-Time Linux 內(nèi)核以及 OSADL，部署軟件 PLC方案，這已經(jīng)在自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的使用。你可以在這里找到更多關(guān)于在Toradex 計(jì)算機(jī)模塊上運(yùn)行 Codesys 的信息，包括演示 demo。
Xenomai
Xenomai 是另外一個(gè)實(shí)現(xiàn) Linux 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的框架。Xenomai 通過提在 Linux 內(nèi)核提供一個(gè)co-kernel 而實(shí)現(xiàn)。co-kernel 處理實(shí)時(shí)任務(wù)，并擁有比標(biāo)準(zhǔn) Linux 更高的優(yōu)先級。在這里你可以了解更多信息。為了使用 Xenomai 的實(shí)時(shí)特性，你必須使用實(shí)時(shí) APIs（libcobalt）來連接用戶應(yīng)用和 Cobalt 內(nèi)核，后者確保任務(wù)的實(shí)時(shí)性能。
圖4：Dual Core Xenomai配置
關(guān)于安裝Xenomai 到你的設(shè)備的相關(guān)文檔可以在 Xenomai 網(wǎng)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(shè)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(shí)時(shí)解決方案相比于標(biāo)準(zhǔn) Linux有著巨大的優(yōu)勢。值得注意的是，最差的結(jié)果也在 ±10% 的誤差以內(nèi)。
圖5：使用 Xenomai的方波抖動(dòng)分布圖
異構(gòu)多核處理
異構(gòu)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(nèi)核。例如我們看 i.MX7S，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(lián)由類似 Linux的操作系統(tǒng)在 Cortex-A 運(yùn)行，與此同時(shí)，控制任務(wù)由類似 FreeRTOS 的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在 Cortex-M上執(zhí)行。兩個(gè)核都能夠訪問內(nèi)存和外設(shè)，在定義每個(gè)核上運(yùn)行的任務(wù)時(shí)保持靈活性。參考圖6。
圖6:i.MX7 框圖，來源技術(shù)手冊
使用 HMP 的優(yōu)勢：
更多關(guān)于基于 HMP 處理器應(yīng)用開發(fā)的信息請參考下面的內(nèi)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(wǎng)絡(luò)研討會(huì)議：Introducingthe i.MX7 System on Chip
Toradex、Antimicro 和 The Qt Company 聯(lián)合開發(fā)了一個(gè)機(jī)器人來展示這個(gè)概念。機(jī)器人的名字是 TAQ，采用Toradex計(jì)算機(jī)模塊 ColibriiMX7 的自平衡機(jī)器人。用戶界面在 Linux 中使用 Qt 構(gòu)建，運(yùn)行在 Cortex-A7 上，平衡和電機(jī)控制則由Cortex-M4 完成。雙核之間的通信實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和面部動(dòng)畫，正如視頻中演示的一樣.
圖7 是 Colibri iMX7 的測試結(jié)果。方波由運(yùn)行在 i.MX7M4 上的 FreeRTOS 生成。和預(yù)計(jì)的一樣，測試結(jié)果好于上面其他所有的方法。
圖7：使用異構(gòu)多核架構(gòu)的方波抖動(dòng)分布圖
方波由運(yùn)行在 M4 上的 FreeRTOS 生成。
總結(jié)
本文概括介紹了在應(yīng)用處理器上使用 Linux作為操作系統(tǒng)開發(fā)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的解決方案。對于想要使用微處理器并且關(guān)注實(shí)時(shí)控制和決策的開發(fā)者，這可以作為入門。我們展示了使用異構(gòu)多核處理的 SoC 硬件方案，以及兩個(gè)基于軟件的方法：Linux-RT Patch 和Xenomai。演示的結(jié)果并不是為了對比操作系統(tǒng)或者實(shí)時(shí)技術(shù)。每一種方法都具有優(yōu)勢和劣勢，最終還是取決于應(yīng)用場景。
文章主要為了說明幾種現(xiàn)成的解決方案可以在應(yīng)用處理器上使用 Linux 實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)應(yīng)用。
