有利于提高xenomai /PREEMPT-RT 实时性的一些配置建议

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一、前言

1. 什么是实时

“实时”一词在许多应用领域中使用，人们它有不同的解释，并不总是正确的。人们常说，如果控制系统能够对外部事件做出快速反应，那么它就是实时运行的。根据这种解释，如果系统速度快，则系统被认为是实时的。然而，“快”具有相对含义，并未涵盖表征这些类型系统的主要属性。

我们来看一下，在自然界中，生物在栖息地中的实时行为，这些行为与它们的速度无关。例如，乌龟对来自其栖息地的外部刺激的反应，与猫对其栖息地的外部反应一样有效。虽然乌龟比猫慢很多，但就绝对速度而言，它要处理的事件与它可以协调的动作成正比，这是任何动物在环境中生存的必要条件。

相反，如果生物系统所处的环境，引入了速度超过其处理能力的事件，其行为将不再有效，动物的生存也会受到损害。比如，一只苍蝇可以被苍蝇拍捕捉到，一只老鼠可以被陷阱捕捉到，或者一只猫可以被高速行驶的汽车撞倒。在这些例子中，苍蝇拍、陷阱和汽车代表了动物的异常和异常事件，超出了它们的实时能力范围，可能严重危及它们的生存。

前面的例子表明，实时并没有人们想象的那样快，而是与系统运行的环境严格相关。

实时系统是必须在设置的截止时间内对环境中的事件做出反应的系统，否则会产生严重的后果。

再比如，船舶的制导系统可能看起来是一个非实时系统，因为它的速度很低，而且通常有“足够”的时间（大约几分钟）来做出控制决定。尽管如此，根据我们的定义，它实际上是一个实时系统。

2. 实时分类

根据错过截止时间产生的后果，实时任务可以分为三类：

硬实时(Hard real time system)
如果在截止时间之后产生结果，可能对受控系统造成灾难性后果，则该任务是硬实时任务。

硬任务的例子可以在安全关键系统中找到，并且通常与传感、驱动和控制活动有关，例如：

汽车安全气囊的检测与控制；
反导弹系统要求硬实时。反导弹系统由一系列硬实时任务组成。反导系统必须首先探测所有来袭导弹，正确定位反导炮，然后在导弹来袭之前将其摧毁。所有这些任务本质上都是硬实时的，如果反导弹系统有任何一个任务失败都将无法成功拦截来袭导弹。
强实时(Firm real time system)
如果在截止日期之后产生结果对系统无用，但不会造成任何损害，则该任务是强实时任务。

在网络应用程序和多媒体系统中找到，在这些系统中，跳过一个数据包或一个视频帧比长时间延迟处理更重要。 因此，它们包括以下内容：

视频播放；
音/视频编解码中，没有在设置的码率时序范围内执行完，产生结果都是无用的丢弃即可，继续下一轮读取；
在线图像处理；
软实时(Soft real time system)
如果实时任务在截止日期之后产生结果仍然对系统有用，尽管会导致性能下降，则该任务是软实时任务。

软任务通常与系统-用户交互有关，有点延迟什么的并不影响，只是体验稍差点。 因此，它们包括：

用户界面的命令解释器；

处理来自键盘的输入数据；

在屏幕上显示消息；

网页浏览等；

3.常见的RTOS

小型实时操作系统 UCOS、FreeRTOS、RT-Thread…

大型实时操作系统 RT linux、VxWorks、QNX、sylixOS…

4. latency和jitter

硬实时系统是必须在设置的截止时间内对环境中的事件做出反应的系统。硬实时操作系统应具备的最重要特性之一是确定性、可预期性。

操作系统的实时性能通常用latency或jitter来表示。事件预期发生与实际发生的时间之间的时间称为延迟(latency)，实际发生的最大时间与最小时间之间的差值称为抖动(Jitter)，两者均可表示实时性。 根据实时性的定义，延迟必须是确定的，不能超过deadline，否则将会产生严重的后果。

当我们针对实时应用场景评估硬件和实时系统时，通常可以简化为对实时性能和硬件资源的考量，即对于一个应用场景，实时性满足的情况下，硬件性能也满足。

在否决定使用一个实时系统时，需要结合具体应用场景来评估该实时系统是否符合，若不符合则需要考虑对现有系统优化或者更换方案。

二、实时性的影响因素

硬实时操作系统应具备的最重要特性之一是确定性、可预测性，系统应该保证满足所有关键时序约束。然而，这取决于一系列因素，这些因素涉及硬件的架构特征、内核中采用的机制和策略，以及用于实现应用程序的编程语言、软件设计等。

根据实时性定义，计算机系统中所有导致程序执行时间不确定的因素，都是实时性影响因素。

1.硬件

CPU架构

硬件方面，第一个影响调度可预测性的是处理器本身。处理器的内部特性是不确定性的第一个原因，例如指令预取、流水线操作、分支预测、高速缓存存储器和直接存储器访问（DMA）机制。这些特性虽然改善了处理器的平均性能，但它们引入了非确定性因素，这些因素阻止了对最坏情况执行时间WCET（Worst-caseExecutionTime）的精确估计。

高端CPU，如I5、I7实时性不一定有低端的赛扬、atom系列的好，芯片的设计本身定位就是高吞吐量而不是实时性，实时性与吞吐量不可兼得。

Cache
CPU 里的 L1 Cache 或者 L2 Cache，访问延时是内存的 1/15 乃至 1/100，想要追求极限性能，需要尽可能地多从 CPU Cache 里面拿数据，减少cache miss，上面的分配CPU专门对实时任务服务就是对非共享的L1 、L2 Cache的充分优化。

对于L3 Cache，多个cpu核与GPU共享，无法避免非实时任务及GUI争抢L3 Cache对实时任务的影响。

为此intel 推出了资源调配技术(Intel RDT)，提供了两种能力：监控和分配。Intel RDT提供了一系列分配(资源控制)能力，包括缓存分配技术(Cache Allocation Technology, CAT)，代码和数据优先级(Code and Data Prioritization, CDP) 以及 内存带宽分配(Memory Bandwidth Allocation, MBA)。该技术旨在通过一系列的CPU指令从而允许用户直接对每个CPU核心（附加了HT技术后为每个逻辑核心）的L2缓存、L3缓存（LLC–Last Level Cache ）以及内存带宽进行监控和分配。

RDT一开始是为解决云计算的问题，在云计算领域虚拟化环境中，宿主机的资源（包括CPU cache和内存带宽）都是共享的。这带来一个问题就是：如果有一个过度消耗cache的应用耗尽了L3缓存或者大量的内存带宽，将无法保障其他虚拟机应用的性能。这种问题称为 noisy neighbor。

同样对于我们的实时系统也是类似：由于L3 Cache多核共享，如果有一个过度消耗cache的非实时应用耗尽了L3缓存或者大量的内存带宽，将无法保障xenomai实时应用的性能。

以往虚拟化环境中解决方法是通过控制虚拟机逻辑资源(cgroup)但是调整粒度太粗，并且无法控制处理器缓存这样敏感而且稀缺的资源。为此Intel推出了RDT技术。在Intel中文网站的 通过英特尔® 资源调配技术优化资源利用视频形象介绍了RDT的作用。

Intel的Fenghua Yu在Linux Foundation上的演讲 Resource Allocation in Intel® Resource Director Technology 可以帮助我们快速了解这项技术。

总的来说，RDT让我们实现了控制处理器缓存这样敏感而且稀缺的资源，对我们对实时性能提升有很大帮助(不仅限于xenomai，RTAI、PREEMPT-RT均适用)。

CAT（缓存分配技术，Cache Alocation Technology），对最后一级缓存（L3 Cache）实现分区，用户可以通过限制每个核心能够向其中分配缓存行的LLC数量，将LLC的部分分配给特定核心，使用该技术可以提升实时任务Cahe命中率，减少MSI延迟和抖动，进而提升实时性能。（不是所有intel处理器具有该功能，一开始只有服务器CPU提供该支持,据笔者了解，6代以后的CPU基本支持CAT。关于CAT 见github)，对于大多数Linux发行版，可直接安装使用该工具，具体的cache分配策略可根据后面的资源隔离情况进行。

sudo apt-get install  intel-cmt-cat

TLB
与cache性质一致。

分支预测
现代 CPU 的流水线级数非常长，一般都在10级以上，指令分支判断错误（Branch Mispredict）的时间代价昂贵。如果判断预测正确，可能只需要一个时钟周期；如果判断错误，就还是需要10-20 左右个时钟周期来重新提取指令。

如下为对同一随机组数，排序与未排序情况下for循环测试：
数据有规律和无规律两种情况下同一段代码执行时间相差巨大。

现代 CPU 的分支预测正确率已经可以在一般情况下维持在 95% 以上，所以当分支存在可预测的规律的时候，还是以性能测试的结果为最终的优化依据。

Hyper-Threading
人们对CPU的性能的追求是无止境的，在CPU性能不断优化提高过程中，对于单一流水线，最佳情况下，IPC 也只能到 1。无论做了哪些流水线层面的优化，即使做到了指令执行层面的乱序执行，CPU 仍然只能在一个时钟周期里面取一条指令。

为使IPC>1，诞生了多发射（Mulitple Issue）和超标量（Superscalar）技术，伴随的是每个CPU流水线上各种运算单元的增加。但是当处理器在运行一个线程，执行指令代码时，一方面很多时候处理器并不会使用到全部的计算能力，另一方面由于CPU在代码层面运行前后依赖关系的指令，会遇到各种冒险问题，这样CPU部分计算能力就会处于空闲状态。

为了进一步“压榨”处理器，那就找没有依赖关系的指令来运行好，即另一个程序。一个核可以分成几个逻辑核，来执行多个控制流程，这样可以进一步提高并行程度，这一技术就叫超线程，又称同时多线程（Simultaneous Multi-Threading，简称 SMT）。

由于超线程技术通过双份的 PC 寄存器、指令寄存器、条件码寄存器，在逻辑层面伪装为2个CPU，但指令译码器和ALU是公用的，这就造成实时任务运行时在CPU执行层面的不确定性，造成非实时线程与实时线程在同一物理核上对CPU执行单元的竞争，影响实时任务实时性。

电源管理与调频
我们知道CPU场效应晶体管FET构成，其简单示意图如下。

当输入高低电平时，CL被充放电，假设充放电a焦耳的能量。因为CL很小，这个a也十分的小，几乎可以忽略不计。为了提高CPU性能，不断提高处理器的时钟频率，但如果我们以1GHz频率翻转这个FET，则能量消耗就是a × 10^9，这就不能忽略了，再加上CPU中有几十亿个FET，消耗的能量变得相当可观。

详细的参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/56864499

为了省电，让操作系统随着工作量不同，动态调节CPU频率和电压。但是调频会导致CPU停