Adeos & Xenomai. Echtzeitbetriebssysteme / SS09. Alexander Behringer. Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg. 24. Juni 2009

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1 Adeos & Xenomai Echtzeitbetriebssysteme / SS09 Alexander Behringer Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg 24. Juni 2009 Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

2 Übersicht Einführung 1 Einführung 2 Adeos Implementierung Anwendungsgebiete 3 Xenomai Xenomai und Linux Native API 4 Fazit & Ausblick Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

3 Einführung Neue Anforderungen an Echtzeitsysteme Bisher Einsatz von proprietären RTOS mit wenig Speicherverbrauch wenig unterstützte Geräte und Kommunikationswege Jetzt Mehr Funktionalität und breitere Hardwareunterstützung nötig Hardware wird leistungsfähiger Linux als Echtzeitbetriebssystem? Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

4 Einführung Linux als Echtzeitbetriebssystem Linux auf Durchsatz getrimmt, nicht auf Echtzeit RTLinux mit Dual-Kernel-Ansatz (Patent) RTAI Open-Source-Alternative zu RTLinux Xenomai als weiterer Ansatz Fusion zwischen RTAI und Xenomai RTAI/fusion Trennung nach Differenzen Einzug von Echtzeitfähigkeit in den Linuxkernel (RT PREEMPT) Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

5 Übersicht Adeos 1 Einführung 2 Adeos Implementierung Anwendungsgebiete 3 Xenomai Xenomai und Linux Native API 4 Fazit & Ausblick Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

6 Adeos Ziel Nutzung gemeinsamer HW-Ressourcen mit verschiedenen Betriebssystemen Keine übliche Virtualisierung Anderen Betriebssystemen wird vertraut Entwickler und Administratoren sollen Kontrolle über die Hardware zurückerlangen Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

7 Schichtenmodell Adeos Abbildung: von Adeos Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

8 Adeos Kommunikationsarten 1 Direkte Kommunikation zwischen Domänen und Hardware 2 Adeos empfängt Interrupts von der Hardware 3 Adeos leitet einen Interrupt an eine Domäne weiter 4 Kommunikation zwischen Adeos und Domänen Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

9 Adeos Interrupt Pipeline Statische Priorisierung über Platzierung Domains haben Kontrolle über Interruptfluss Keine Last Idle-Domain Abbildung: Pipeline von Adeos für Interrupts und Events Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

10 Adeos Interrupt Pipeline: Kontrollmechanismen Interrupts können: akzeptiert ignoriert weitergeleitet terminiert werden. Wichtig Pipeline kann von Domänen an bestimmter Stelle blockiert werden! Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

11 Adeos Interrupt Pipeline: Kontrollmechanismen Interrupts können: akzeptiert ignoriert weitergeleitet terminiert werden. Wichtig Pipeline kann von Domänen an bestimmter Stelle blockiert werden! Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

12 Adeos Interrupt Pipeline: Probleme Problem Nicht alle Domänen wissen ob der Existenz von Adeos! Lösung Wann ist eine Domäne idle? Wie kann eine Domäne interrupts sperren? Austauschen des Idle-Prozesses Einführung einer Handling-Domain Höhere Priorität als die eigentliche Domain Hinterlässt das System im erwarteten Zustand Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

13 Adeos Interrupt Pipeline: Probleme Problem Nicht alle Domänen wissen ob der Existenz von Adeos! Lösung Wann ist eine Domäne idle? Wie kann eine Domäne interrupts sperren? Austauschen des Idle-Prozesses Einführung einer Handling-Domain Höhere Priorität als die eigentliche Domain Hinterlässt das System im erwarteten Zustand Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

14 Adeos Implementierung Basissystem Komplette Neuentwicklung zu aufwändig! Wichtige Faktoren bei der Auswahl: 1 Verbreitung 2 Quelloffen 3 Unterstützung x86 Linux erfüllt Kriterien! Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

15 Adeos Implementierung Linux entmündigen? Linux Kontrolle der Hardware und Scheduling- Hohheit entziehen Adeos arbeitet als Kernelmodul im x86 Ring 0 Adeos schiebt Linux in Ring 1 Priviligierte Instruktionen verursachen Fehler Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

16 Adeos Implementierung Behandlung priviligierter Instruktionen Linux Handling Domain für Unterbrechungssperrung in/out Instruktionen für Ring 1 erlauben Restliche Instruktionen per Emulation oder Single-Stepping Abbildung: Linux Handling Domain Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

17 Adeos Anwendungsgebiete Anwendungsgebiete Gemeinsame Nutzung von HW-Ressourcen mit verschiedenen Betriebssystemen Hilfe bei der Entwicklung von Betriebssystemen Debugging des Linuxkernels Implementierung eines Echtzeitbetriebssystems?! Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

18 Übersicht Xenomai 1 Einführung 2 Adeos Implementierung Anwendungsgebiete 3 Xenomai Xenomai und Linux Native API 4 Fazit & Ausblick Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

19 Xenomai Ziel Linux echtzeitfähig machen Erstellung eines generellen Echtzeitkerns mit Unterstützung üblicher Funktionen Real-Time APIs for any Linux (Ok, almost any) Möglichst wenig Portierungsaufwand beim Wechsel zu Xenomai Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

20 Schichtenmodell Xenomai Abbildung: von Xenomai Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

21 Xenomai Hardware Abstraction Layer (HAL) Kapselt hardwareabhängige Details Nucleos nutzt nur die vom HAL exportierten Services Hardwareunabhängigkeit des Nucleos Geringer Portierungsaufwand von Xenomai Verfügbar für: 1 ARM 2 Blackfin 3 PowerPC 4 x86 5 (ia64) Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

22 Xenomai Nucleus: Multithreading Verwaltung der Threadstati: initialization, suspended, pending, delayed, ready-to-run oder running Scheduling mit statischer Priorität und preemtivem Algorithmus (Round-Robin möglich) Konfigurierbares Prioritätsmanagement Threadauswahl: Höchste Wartezeit und Priorität bekommt CPU Prioritätsinversion: Priority inheritance protocol Versenden von Signalen an Threads Differenziertes Warten (disjunctive wait) bei mehreren Ressourcen Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

23 Xenomai Nucleus: Thread synchronization Pending mode: Mehrere Threads warten auf eine Ressource Wieder Priority inheritance protocol Warten mit Zeitobergrenze: Watchdog überwacht Löschen einer Ressource während Threads warten Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

24 Xenomai Nucleus: Interrupt Management Verschachtelbar: Interrupt management code ist reentrant Atomar: Scheduling gestoppt bis ISR (Interupt Service Routine) beendet Priorität: ISR sind höher priorisiert als Threads Priorisierung der Interrupts obliegt der Hardware Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

25 Xenomai Nucleus: Time Management Transparenter Wechsel zwischen jiffies (periodic) und time-stamp counter (aperiodic) Software Zähler: Watchdog überwacht Laufzeit Absolute und relative Uhr KEIN datumsbasiertes Zeitmanagement Begrenzte worst-cast Laufzeit der Timerverwaltung (Timer wheel algorithm) Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

26 Xenomai Skins Real-Time APIs for any Linux (Ok, almost any) APIs für verschiedene RTOS über Skins realisiert Skins nutzen Services des Nucleus Jeder Skin emuliert ein anderes RTOS Verfügbar für: POSIX, Native, VxWorks, VTRX, psos+, µitron, RTAI, RTDM Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

27 Xenomai Skins Real-Time APIs for any Linux (Ok, almost any) APIs für verschiedene RTOS über Skins realisiert Skins nutzen Services des Nucleus Jeder Skin emuliert ein anderes RTOS Verfügbar für: POSIX, Native, VxWorks, VTRX, psos+, µitron, RTAI, RTDM Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

28 Xenomai Xenomai und Linux Xenomai vor Linux Abbildung: Xenomai steht in der Pipeline vor Linux Primäre Domäne für harte Echtzeit Interrupt Shield entspricht Linux Handling Domain von Adeos Sekundäre Domäne für weiche Echtzeit? Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

29 Xenomai Xenomai und Linux Xenomai vor Linux Abbildung: Xenomai steht in der Pipeline vor Linux Primäre Domäne für harte Echtzeit Interrupt Shield entspricht Linux Handling Domain von Adeos Sekundäre Domäne für weiche Echtzeit? Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

30 Xenomai Xenomai und Linux Echtzeit nur für Kernelmodule? Früher Harte Echtzeit war nur möglich für Threads im Kernelspace Kein Angebot harter Echtzeit durch Skins für Userspace Bug ruiniert das ganze System! Heute Harte Echtzeit auch für Thread im Userspace möglich NOCH werden exklusiv im Kernelspace laufende Prozesse unterstützt Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

31 Xenomai Xenomai und Linux Threadmigration RT-Threads sollen auch normale Linux syscalls ausführen können Linux syscalls erfüllen aber keine Echtzeitanforderungen keine Linux syscalls in der primären Domäne verfügbar Xenomai und Linux teilen sich Threads Ausführung des Threads im passenden Kontext Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

32 Threadmigration Xenomai Xenomai und Linux Abbildung: Migration eines Threads zwischen Domänen Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

33 Xenomai Xenomai und Linux Echtzeit in zweiter Domäne Frage: Kann Echtzeit auch in der sekundären Domäne (Linux) möglich sein? Antwort Ja, aber mit höheren Latenzen beim Scheduling bei Einhaltung von einigen Regeln! Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

34 Xenomai Xenomai und Linux Echtzeit in zweiter Domäne Frage: Kann Echtzeit auch in der sekundären Domäne (Linux) möglich sein? Antwort Ja, aber mit höheren Latenzen beim Scheduling bei Einhaltung von einigen Regeln! Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

35 Xenomai Xenomai und Linux Echtzeit in zweiter Domäne (cont d) Voraussetzungen: Gemeinsames Prioritätsschema bei Xenomai und Linux Linux erbt Priorität des migrierten RT-Threads Verhindern von Interrupts über Interrupt Shield Echtzeitfähigkeit von Linux wird laufend verbessert (RT PREEMPT) Unterstützung von Priority inversion management (Xenomai & RT PREEMPT) Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

36 Xenomai Native API Services der Native API 1 Task Management 2 Zeitdienste 3 Objekte zur Synchronisation 4 Kommunikation (IPC) 5 Geräte I/O 6 Systemweite Registry (für Seamless Topology) Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

37 Kommunikation Xenomai Native API Einfachste und schnellste Methode: Gemeinsamer Speicherbereich Nachrichtenbasiert: Nachrichtenwartenschlange (zero copy) Synchrones Versenden von Nachrichten Nachrichten Pipes (RT-Pipes) ermöglichen Kommunikation zwischen RT-Threads und Linux-Tasks Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

38 Gesamter Aufbau und RT-Pipes Abbildung: Gesamtsystem mit Xenomai und Linux. Kommunikation zwischen primärer und sekundärer Domäne über RT-Pipes.

39 Übersicht Fazit & Ausblick 1 Einführung 2 Adeos Implementierung Anwendungsgebiete 3 Xenomai Xenomai und Linux Native API 4 Fazit & Ausblick Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

40 Fazit & Ausblick Fazit Xenomai: macht Linux Echtzeitfähig (Dual-Kernel-Prinzip) erleichtert die Portierung durch Skins wird durch echtzeitfähigen Linuxkernel nicht überflüssig erreicht predictable interrupt latencies in the lowest micro-second level range whatever activity Linux is undergoing ist robust dank der Abstraktion (HAL, Nucleus)... und ist hervorragend dokumentiert! Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

41 Auf den Zahn gefühlt... Fazit & Ausblick... whatever activity Linux is undergoing Wirklich?! Abbildung: ARM-Cache wirkt sich nachteilig auf die Xenomai Performance aus (Cache misses). Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

42 Fazit & Ausblick Ausblick Volle Unterstützung von RT PREEMPT Wahl zwischen Adeos und RT PREEMPT Anzahl der Skins erweitern Ausbau von Xenomai als Migrationstool Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

43 Terminated! Fazit & Ausblick Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen? Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

44 Literatur Carsten Emde and Robert Schwebel. Echtzeit inklusive. Computer & Automation, Philippe Gerum. Xenomai - Implementing a RTOS emulation framework on GNU/Linux. Technical report, Sebastian Smolorz. Echtzeit-Linux mit Xenomai. Elektronik, Xenomai. Life With Adeos. Technical report, Xenomai. A Tour of the Native API. Technical report, Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

45 Literatur Karim Yaghmour. Adaptive Domain Environment for Operation Systems. Technical report, Alexander Behringer (GSO Nbg) Adeos & Xenomai 24. Juni / 39

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