Slothful Linux: An Efficient Hybrid Real-Time System by Hardware-Based Task Dispatching. Rainer Müller

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1 Slothful Linux: An Efficient Hybrid Real-Time System by Hardware-Based Task Dispatching Rainer Müller 21. November 2013

2 Spezialisierung von Betriebssystemen Vielzweckbetriebssysteme (General Purpose OS, GPOS) Benutzerinteraktion, Datenkommunikation, Entertainment,... weitreichende Hardwareunterstützung Echtzeitbetriebssysteme (Real Time OS, RTOS) Steuerung von Fertigungsmaschinen, Industrieanlagen,... spezialisiert für bestimmte Aufgaben weiche, feste oder harte Terminvorgaben Rainer Müller Slothful Linux 2

3 Konsolidierung Trennung in Echtzeitverarbeitung und restliche Aufgaben RTOS: Maschinensteuerung GPOS: Kommunikation, Statistiken, Visualisierung,... Gemeinsamer Zugriff auf Daten Konsolidierung auf derselben Hardwareplattform Single Hardware Unit shared resources Other Components Controlled System sensor data control commands RT App RTOS Application Application Application GPOS network communication Slothful Linux: Integration des Linux-Kernels mit dem bestehendem Sloth-Echtzeitbetriebssystem Rainer Müller Slothful Linux 3

4 Überblick Sloth-Konzept Slothful Linux Evaluation Ausblick Rainer Müller Slothful Linux 4

5 Sloth-Konzept Idee: Threads as Interrupts Task-Aktivierung durch IRQ Hardware übernimmt das Einplanen und Einlasten Anwendbar auf statisch konfigurierte Echtzeitsysteme mit festen Prioritäten (z. B. OSEK/AUTOSAR OS) Rainer Müller Slothful Linux 5

6 Sloth-Design ActivateTask(Task1) prio=1 request IRQ Source Task1 CPU Hardware Periphery HW IRQ prio=2 request prio=3 request IRQ Source ISR2 IRQ Source Task3 IRQ Arbitration Unit curprio=x IRQ Vector Table Timer System Alarm Exp. prio=4 request IRQ Source Task4 task1() isr2() task3() task4() Hardware muss genügend Prioritäten zur Verfügung stellen Unterbrechungsanforderungen aus Software heraus für synchrone Aktivierungen Rainer Müller Slothful Linux 6

7 Vorteile des Sloth-Designs Schlanker, effizienter Kern Einheitliche Abstraktion für Tasks und ISRs unabhängig davon, ob Aktivierung durch Hardware oder Software ausgelöst wurde Einheitlicher Prioritätsraum für Tasks und ISRs keine Prioritätsumkehr (rate-monotonic priority inversion) Synchronisation durch Anheben der CPU-Priorität Priority Ceiling Protocol Rainer Müller Slothful Linux 7

8 Sloth-Familie Sloth-Konzept bereits in mehreren Bereichen erfolgreich event-triggered time-triggered OSEK OSEKtime Sloth [RTSS 09] Sleepy Sloth [RTSS 11] Sloth on Time [RTSS 12] AUTOSAR OS Rainer Müller Slothful Linux 8

9 Slothful Linux Übertragung der Vorteile des Sloth-Konzepts in ein kombiniertes System zusammen mit Linux Untersuchung der bestehenden auf Linux basierenden Ansätze 1. Veränderungen am Kernel, um Echtzeitverhalten zu implementieren (RT-PREEMPT-Patch) 2. Virtualisierung der Unterbrechungsbehandlung Rainer Müller Slothful Linux 9

10 Virtualisierung der Unterbrechungsbehandlung I-Pipe-Patch Basis von RTAI oder Xenomai Virtualisierung der Unterbrechungsbehandlung in Abstraktionsschicht Ansatz: Optimistic Interrupt Protection Rainer Müller Slothful Linux 10

11 Virtualisierung der Unterbrechungsbehandlung Process Process Process Linux Kernel I/O Drivers Hardware Interrupt blocking Interrupt Handlers Interrupt Shield Interrupt Controller Interrupts Interrupts Real-Time System RT-Task RT-Task RTOS kann jederzeit den Linux-Kernel unterbrechen, Linux-Kernel hat keinen Einfluss auf Ablauf im RTOS Rainer Müller Slothful Linux 11

12 Entwurf und Implementierung Zielplattform: Intel x86 APIC Sloth (bare-metal) Ziel: Prüfung der Realisierbarkeit Ausnutzung der Hardware ohne Einschränkungen Funktionsumfang: Tasks, Resources Slothful Linux Virtualisierung der Unterbrechungsbehandlung des Linux-Kernels Anpassung des Linux-Kernels auf Basis vorhandener Patches Kommunikationskanal zwischen Echtzeitanwendung und Prozessen unter Linux Funktionsumfang: Tasks, Resources, Pipes Rainer Müller Slothful Linux 12

13 Sloth auf Intel x86: Local APIC CPU Core 0 IDTR Execution Unit Local APIC Interrupt messages IPIs System Bus Interrupt messages I/O APIC External Interrupt Lines System Chipset Asynchrone Aktivierung von Tasks durch externe Interrupts Synchrone Aktivierung von Tasks durch self-ipis Rainer Müller Slothful Linux 13

14 Sloth auf Intel x86: Prioritäten Verdrängung von Unterbrechungsbehandlungen basiert auf Prioritätsgruppen Abbildung der Prioritäten auf Vektoreinträge Configuration: (priorities of tasks and resources) priorities APIC: vectors reserved priority groups Sloth auf Intel x86 umsetzbar Rainer Müller Slothful Linux 14

15 Entwurf und Implementierung Zielplattform: Intel x86 APIC Sloth (bare-metal) Ziel: Prüfung der Realisierbarkeit Ausnutzung der Hardware ohne Einschränkungen Funktionsumfang: Tasks, Resources Slothful Linux Virtualisierung der Unterbrechungsbehandlung des Linux-Kernels Anpassung des Linux-Kernels auf Basis vorhandener Patches Kommunikationskanal zwischen Echtzeitanwendung und Prozessen unter Linux Funktionsumfang: Tasks, Resources, Pipes Rainer Müller Slothful Linux 15

16 Slothful Linux: Veränderungen am Linux-Kernel Anpassung des I-Pipe-Patches Funktionsumfang sehr komplex bietet Optimistic Interrupt Protection für den Linux-Kernel Interrupts stall point Sloth Interrupts Intercepted Interrupts Sloth Real-Time Core Real-Time Domain Linux Kernel Root Domain Echtzeitsysteme als Module für den Linux-Kernel Rainer Müller Slothful Linux 16

17 Slothful Linux: Pipes Pipes ermöglichen Datentransfer von Echtzeitanwendung zu Prozessen des Linux-Kernels Real-Time Domain General-Purpose Domain RT-Task Sloth Real-Time Core Linux Kernel User-Space Process WritePipe() Buffer chardev read() shared memory /dev/slothpipe0 Rainer Müller Slothful Linux 17

18 Evaluation: System Services Laufzeitmessung mit Timestamp Counter auf Intel Atom mit 1.6 GHz 1400 Cycles Slothful Linux Sloth Activate() Activate() w/ dispatch Terminate() w/ dispatch Chain() w/ dispatch GetRes() ReleaseRes() ReleaseRes() w/ dispatch Rainer Müller Slothful Linux 18

19 Evaluation: Latenz Messung der Interrupt-Latenz mit Local-APIC-Timer vom Zeitpunkt der Aktivierung bis zur ersten Instruktion der Behandlungsfunktion 3.0 Xenomai Slothful Linux Sloth Latency [µs] CPU Cycles Measurements Rainer Müller Slothful Linux 19

20 Zusammenfassung Slothful Linux ermöglicht parallele Ausführung von Sloth und Linux auf derselben Hardware Sloth läuft ohne Beeinträchtigungen durch Linux konstanter zusätzlicher Aufwand für Wechsel zwischen den Domänen niedrige Latenz für Verarbeitung von Unterbrechungen bzw. Aktivierungen von Tasks Ausblick: Unterstützung von Multi-Core-Systemen Rainer Müller Slothful Linux 20

21 Literaturverzeichnis Wanja Hofer, Daniel Lohmann, Fabian Scheler, and Wolfgang Schröder-Preikschat. Sloth: Threads as interrupts. In Proceedings of the 30th IEEE International Symposium on Real-Time Systems (RTSS 09), pages IEEE Computer Society Press, December Wanja Hofer, Daniel Lohmann, and Wolfgang Schröder-Preikschat. Sleepy Sloth: Threads as interrupts as threads. In Proceedings of the 32nd IEEE International Symposium on Real-Time Systems (RTSS 11), pages IEEE Computer Society Press, December Wanja Hofer, Daniel Danner, Rainer Müller, Fabian Scheler, Wolfgang Schröder-Preikschat, and Daniel Lohmann. Sloth on Time: Efficient hardware-based scheduling for time-triggered RTOS. In Proceedings of the 33rd IEEE International Symposium on Real-Time Systems (RTSS 12), pages IEEE Computer Society Press, December Rainer Müller Slothful Linux