1.什么是实时性操作系统？

实时性是指调度的时候，任务响应时间。windows一般是15ms，最大的问题是不能保证。比如平均值是1ms，但是随着系统负载的变化，有时甚至达到100ms，在这工业上是无法使用的。工业上一些应用要求必须有更高的时间精度，比如，一个电力监测系统必须在10ms内运行一次任务对电力运行状况进行监测，一旦时间不准，调度不到该程序运行，则无法保证对电力故障的及时响应。

2.怎么实现实时性系统？

3.PREEMPT_RT

PREEMPT_RT是Linux内核的一个实时补丁。得到Linus的高度评价：

Controlling a laser with Linux is crazy, but everyone in this room is crazy in his own way. So if you want to use Linux to control an industrial welding laser, I have no problem with your using PREEMPT_RT." -- Linus Torvalds

具体怎么用可以参考：https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/applications/preemptrt_setup  ，这是官方的说明。

4.使用方法

4.1 下载linux内核源码

这两个国内的可以看一下，速度比较快。

4.2下载RT patch

patch在https://rt.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page 下载，与linux内核的版本号一定要一样。

4.3 使用方法

1.解压内核源码

2.打patch

3.编译linux内核并安装

tar xzvf  linux-4.4.138.tar.gz

cd linux-4.4.138

patch -p1 < ../patch-4.4.138-rt65.patch

make menuconfig需要安装这个libncurses-dev模块

编译内核需要libssl-dev模块

sudo apt-get install libncurses-dev

sudo apt-get install libssl-dev

配置linux内核

make menuconfig

选择Processor type and feature   —>   Fully Preemptible Kernel (RT)这个选项，具体路径如下图。保存。

编译内核，再安装，更新grub.

编译时加上 INSTALL_MOD_STRIP=1 可以生成没有调试信息的模块，大大减小内核的大小。

make -j2

#sudo make modules_install -j2

#这一条命令生成的内核含有调试信息非常大，因此要使用INSTALL_MOD_STRIP选项

sudo make INSTALL_MOD_STRIP=1 modules_install

sudo make install -j2

sudo update-grub2

重启后会多一个  linux-4.4.138-rt  的启动选项。

5.测试

可参考以下网页：

sudo apt-get install rt-tests

安装这个工具，运行cyclictest程序进行实时性测试：

sudo cyclictest -t 5 -p 80 -n

注释： 运行五个线程，线程优先级为80，无限循环

cyclictest运行结果详解：

T: 0 序号为0的线程

P: 0 线程优先级为0

C: 9397 计数器。线程的时间间隔每达到一次，计数器加1

I: 1000 时间间隔为1000微秒(us)

Min: 最小延时(us)

Act: 最近一次的延时(us)

Avg：平均延时(us)

Max： 最大延时(us)

测试结果示例：

1.实体机测试结果

# /dev/cpu_dma_latency set to 0us

policy: fifo: loadavg: 0.13 0.06 0.02 1/244 19255

T: 0 (18989) P:80 I:1000 C: 155947 Min:      1 Act:    1 Avg:    1 Max:      17

T: 1 (18990) P:80 I:1500 C: 103964 Min:      1 Act:    1 Avg:    1 Max:      15

T: 2 (18991) P:80 I:2000 C:  77973 Min:      1 Act:    1 Avg:    1 Max:       7

T: 3 (18992) P:80 I:2500 C:  62378 Min:      1 Act:    1 Avg:    1 Max:      10

T: 4 (18993) P:80 I:3000 C:  51982 Min:      1 Act:    1 Avg:    1 Max:       7

2.虚拟机测试结果

在虚拟机中效果一般，受主机的限制太大。

my@ubuntu:~/rt/linux-4.4.138$ sudo cyclictest -p 80 -t5 -n

# /dev/cpu_dma_latency set to 0us

policy: fifo: loadavg: 0.69 0.19 0.07 1/726 5825

T: 0 ( 5821) P:80 I:1000 C:   8168 Min:      7 Act:  445 Avg:  327 Max:    7005

T: 1 ( 5822) P:80 I:1500 C:   5455 Min:      7 Act:  411 Avg:  319 Max:    7516

T: 2 ( 5823) P:80 I:2000 C:   4098 Min:     14 Act:  174 Avg:  320 Max:    2362

T: 3 ( 5824) P:80 I:2500 C:   3275 Min:      5 Act:   52 Avg:  319 Max:    6940

T: 4 ( 5825) P:80 I:3000 C:   2732 Min:      8 Act:  214 Avg:  299 Max:    5198

3.也可以进行多次运行并统计结果

sudo  cyclictest -l10000000 -m -n -t1 -p99 -i2 -h100

-l10000000 ：指定1千万循环，

-m ：锁定当前和将来的内存分配，

-n ：指定使用 clock_nanosleep，

-t1 ：指定开一个线程进行测试，

-p99 ：指定最高优先级，

-i2 ：指定基本线程间隔,单位是us，此处是2us，

-h100 ：指定统计结果的分布情况。

程序20秒执行结束，输出显示平均延时1 us，最大延时15 us，通过直方分布图察看，大多集中在1-7 us以内。

# /dev/cpu_dma_latency set to 0us

policy: fifo: loadavg: 0.36 0.33 0.28 1/246 32690

T: 0 (32688) P:99 I:2 C:10000000 Min:      0 Act:    2 Avg:    1 Max:       15

# Histogram

000000 000051

000001 6635143

000002 3352561

000003 008966

000004 002414

000005 000648

000006 000180

000007 000025

000008 000002

000009 000001

000010 000000

000011 000000

000012 000001

000013 000001

000014 000006

000015 000001

…………(中间都是0，省略)

000097 000000

000098 000000

000099 000000

# Total: 010000000

# Min Latencies: 00000

# Avg Latencies: 00001

# Max Latencies: 00009

# Histogram Overflows: 00000

# Histogram Overflow at cycle number:

# Thread 0:

6.总结

实时性补丁能够较好地满足我们的需求(1ms)，实现较强的实时性。

7.别的方法

ubuntu 和centos 都提供了预编译的prempt 内核， 只是ubuntu的是lowlatency 低延时内核，centos的是rt kernel最高级实时

7.1 ubuntu 安装低延时内核

参考https://linuxmusicians.com/viewtopic.php?t=18536

apt-get install linux-lowlatency

7.2 centos  安装预编译的实时内核

参考https://unix.stackexchange.com/questions/341933/install-a-real-time-kernel-on-centos

sudo tee /etc/yum.repos.d/CentOS-rt.repo >/dev/null <

# CentOS-rt.repo

[rt]

name=CentOS-7 - rt

baseurl=http://mirror.centos.org/centos/\$releasever/rt/\$basearch/

gpgcheck=1

gpgkey=file:///etc/pki/rpm-gpg/RPM-GPG-KEY-CentOS-7

EOF

sudo yum update -y

sudo yum install -y kernel-rt rt-tests tuned-profiles-realtime

sudo reboot

用到的命令行

mkdir -p /usr/src/kernels

cd /usr/src/kernels

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.9.47.tar.xz

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/4.9/older/patch-4.9.47-rt37.patch.xz

tar xf linux-4.9.47.tar.xz

mv linux-4.9.47 linux-4.9.47-rt37

cd linux-4.9.47-rt37

xz -d ../patch-4.9.47-rt37.patch.xz

patch -p1 <..>

cp /boot/config-4.9.0-4-amd64 .config

In the last step, before the kernel can be compiled, the new kernel has to be configured so that the functionality imported with the RT patch is also used. The command make menuconfig is called and we select Processor type and features -> Preemption Model -> Fully Preemptible Kernel (RT).

make -j4

make modules_install

make install

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