為了使英創(chuàng)的嵌入式主板產(chǎn)品滿足工業(yè)實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用需求，我們對(duì)ESM335x系列主板的內(nèi)核進(jìn)行了調(diào)整，重新移植了Linux 4.1.7的系統(tǒng)，在Linux 4.1.7的基礎(chǔ)上使用了kernel的RT PATCH（實(shí)時(shí)補(bǔ)丁），并且修改了相關(guān)接口的驅(qū)動(dòng)代碼，來(lái)保證操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。關(guān)于實(shí)時(shí)Linux（又稱RT Linux）系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)知識(shí)可以瀏覽網(wǎng)站：https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/start進(jìn)行了解。我們將在下面介紹如何編寫面向?qū)崟r(shí)控制的應(yīng)用程序，以及在實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)環(huán)境中，應(yīng)用程序?qū)τ布录憫?yīng)延時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

實(shí)時(shí)應(yīng)用程序編寫

　　盡管實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)對(duì)內(nèi)核做了大量的改動(dòng)來(lái)提供系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，但對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，只需要對(duì)有實(shí)時(shí)要求的線程設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)屬性，以及設(shè)置響應(yīng)的實(shí)時(shí)線程調(diào)度策略就可以了，并沒(méi)有特殊的API函數(shù)。關(guān)于設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)以及調(diào)度策略請(qǐng)參考我們網(wǎng)站上的文章：《Linux系統(tǒng)調(diào)度簡(jiǎn)介》，本文中用到的函數(shù)以及結(jié)構(gòu)體都在其中有更為詳細(xì)的介紹。

　　設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)以及調(diào)度策略有兩種方式，一種是在創(chuàng)建線程時(shí)設(shè)置線程的屬性，這樣線程創(chuàng)建后就具有了實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)并且使用設(shè)置的調(diào)度策略，函數(shù)原型如下：

　　設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)屬性：

　　int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param)

　　上述函數(shù)所包含的2個(gè)參數(shù)說(shuō)明如下：

　　●　pthread_attr_t *attr 由pthread_attr_init函數(shù)初始化，是線程的屬性

　　●　struct sched_param結(jié)構(gòu)體包含 int sched_priority，也即實(shí)施優(yōu)先級(jí)，取值范圍0~99。數(shù)值越大優(yōu)先級(jí)越高，所有的實(shí)時(shí)線程優(yōu)先級(jí)都高于普通線程。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，RT Linux將大部分中斷服務(wù)都改為了線程的形式，使得中斷服務(wù)可以被實(shí)時(shí)要求更高的線程搶占，中斷處理線程實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)為50，操作系統(tǒng)中最重要的線程（如看門狗線程）的優(yōu)先級(jí)為99，當(dāng)知道應(yīng)用程序的處理需要等待某個(gè)特定的中斷才能繼續(xù)執(zhí)行，而且該段代碼實(shí)時(shí)性要求很高時(shí)，就可以將該段代碼所在線程的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為大于50小于99的值，這樣就能夠不受其他中斷處理線程的影響，最大限度的滿足實(shí)時(shí)性要求，比如我們?cè)谙旅娴臏y(cè)試程序中設(shè)置我們的線程實(shí)施優(yōu)先級(jí)為80。

　　設(shè)置調(diào)度策略：

　　int pthread_attr_setschedpolicy (pthread_attr_t *attr, int policy)

　　●　policy 為調(diào)度策略，可選SCHED_FIFO或者SCHED_RR，兩者都是實(shí)時(shí)調(diào)度策略，SCHED_FIFO為先進(jìn)先出，只有高實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)線程能搶占當(dāng)前運(yùn)行的實(shí)時(shí)線程，SCHED_RR增加了時(shí)間片機(jī)制，使得同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)線程能夠輪轉(zhuǎn)運(yùn)行。

　　使用示例：

　　// 設(shè)置調(diào)度策略為SCHED_FIFO

　　res = pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);

　　if(res)

　　{

　　       printf("pthread setschedpolicy faild\n");

　　}

　　struct sched_param param;

　　// 設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)為80

　　param.sched_priority = 80;

　　res = pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);

　　if(res)

　　{

　　       printf("pthread setschedparam faild\n");

　　}

　　另一種方式是修改已經(jīng)存在的線程，設(shè)置其實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)和使用的調(diào)度策略，可以在其他線程中設(shè)置，也可以在線程中自行設(shè)置，只需要知道線程的PID，線程自行設(shè)置時(shí)PID為0，函數(shù)原型如下：

　　int sched_setscheduler (pid_t pid, int policy, const struct sched_param *param)

　　使用示例：

　　struct sched_param param;

　　// 設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)為80并且使用調(diào)度策略SCHED_FIFO

　　param.sched_priority = 80;

　　if(sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param))

　　       printf("wrong sched_setscheduler\n");

　　還有其他的函數(shù)可以設(shè)置這些相關(guān)屬性，具體請(qǐng)參考我們網(wǎng)站的文章《Linux調(diào)度策略簡(jiǎn)介》，或者其他相關(guān)資料。一般的使用是將有實(shí)時(shí)要求的功能代碼放入單獨(dú)的線程中，主程序以普通線程啟動(dòng)后建立實(shí)時(shí)線程來(lái)完成相關(guān)功能。由于實(shí)時(shí)線程的不可搶占性，不恰當(dāng)?shù)氖褂糜锌赡軙?huì)造成系統(tǒng)資源被無(wú)限占用，而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此在開(kāi)發(fā)階段需要特別注意，規(guī)劃好實(shí)時(shí)線程的任務(wù)，尤其是要檢查循環(huán)語(yǔ)句，對(duì)于循環(huán)任務(wù)的設(shè)計(jì)可以參考網(wǎng)站資料：https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/applications/cyclic。

RT Linux的實(shí)時(shí)性測(cè)試

　　在我們的測(cè)試中，由GPIO中斷作為硬件事件，具體是使用外部的方波信號(hào)發(fā)生器作為中斷源，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)到GPIO中斷后會(huì)喚醒用戶層的中斷處理線程（該線程已設(shè)置為實(shí)時(shí)線程），實(shí)時(shí)中斷處理線程作為對(duì)中斷事件的響應(yīng)，是將另一位GPIO的輸出電平反相（Toggle處理）。用示波器測(cè)量輸入的中斷信號(hào)和作為響應(yīng)的GPIO信號(hào)之間的時(shí)間延遲。程序部分代碼如下：

　　struct paraset

　　{

　　       int fd;                  // 中斷設(shè)備對(duì)應(yīng)的文件

　　       int gpio;                     // 線程使用的GPIO進(jìn)行toggle處理

　　       int rt_prio;           // 線程的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)，0則設(shè)置為普通線程

　　};

　　int IRQSelectThreadFunc(void* lparam)

　　{

　　       struct paraset * p = (struct paraset*)lparam;

　　       int fd = p->fd ;  // 獲取中斷設(shè)備對(duì)應(yīng)的文件識(shí)別號(hào)

　　       int i=0;

　　       printf ( "fd = %d \n", fd );

　　       struct sched_param param;

　　       param.sched_priority = p->rt_prio;      // 設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)，由主線程傳入

　　       if(p->rt_prio)

　　              if(sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param))

　　                     printf("wrong sched_setscheduler\n");

　　       fd_set fdRead;

　　       struct timeval aTime;

　　       int ret;

　　       GPIO_OutEnable(gpio_fd, 1<<p->gpio);

　　       while(1)

　　       {

　　              FD_ZERO(&fdRead);

　　              FD_SET(fd,&fdRead);

       　　       aTime.tv_sec = 2;

　　              aTime.tv_usec = 0;

　　              // 等待中斷事件

　　              ret = select ( fd+1, &fdRead, NULL, NULL, &aTime );

　　              if ( ret<0 )

　　                     printf( "select, something wrong!\n " );

　　              if ( ret>0 )

　　              {

　　                     if ( FD_ISSET(fd, &fdRead) )

　　                     {

　　                            //toggel one gpio

　　                            nIrqCounter++;

　　                            if(nIrqCounter%2)

　　                                   GPIO_OutClear(gpio_fd, 1<<p->gpio);

　　                            else

　　                                   GPIO_OutSet(gpio_fd, 1<<p->gpio);

　　                     }

　　              }

　　       }

　　       pthread_exit( NULL );

　　       return 0;

　　}

　　int StartPulseThread( struct paraset *p  )

　　{

　　       pthread_attr_t           attr;

　　       pthread_t                  m_thread;

　　       int                               res;

　　       struct sched_param param;

　　       // 創(chuàng)建gpio線程

　　       res = pthread_attr_init(&attr);

　　       if( res!=0 )

　　       {

　　              printf("Create attribute failed\n" );

　　       }

　　       // 主程序傳入的參數(shù)，判斷實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)是否為0，不為0則設(shè)置為實(shí)時(shí)線程

　　       if(p->rt_prio)

　　       {

　　              // 設(shè)置調(diào)度策略為SCHED_FIFO

       　　       res = pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);

　　              if(res)

　　              {

　　                     printf("pthread setschedpolicy faild\n");

　　              }

　　              // 設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)

　　              param.sched_priority = p->rt_prio;

　　              res = pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);

　　              if(res)

　　              {

　　                     printf("pthread setschedparam faild\n");

　　              }

　　              res = pthread_attr_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);

　　              if(res)

　　              {

　　                     printf("pthread setinheritshed faild\n");

　　              }

　　              printf("set %d rt_priority: %d\n", p->fd, p->rt_prio);

　　       }

　　       // 創(chuàng)建線程

　　       res = pthread_create( &m_thread, &attr, (void *(*) (void *))&IRQSelectThreadFunc, p );

　　       if( res!=0 )

　　       {

　　              return -1;

　　       }

　　       pthread_attr_destroy( &attr );

　　　　return 0;

　　}

　　我們用同一個(gè)測(cè)試程序分別在ESM3354和ESM3352的標(biāo)準(zhǔn)Linux版本和RT Linux上運(yùn)行，當(dāng)輸入100Hz方波信號(hào)，即硬件中斷間隔為10ms時(shí)，隨機(jī)測(cè)試100次中斷延時(shí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

　　從上表可以看到：

　　●　盡管在空載情況下普通Linux系統(tǒng)與RT Linux系統(tǒng)的中斷延時(shí)參數(shù)差異不大，但在滿負(fù)荷下差異就非常明顯了，特別是中斷延時(shí)最大值。均超過(guò)1ms，這意味著普通Linux只能用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求很低的場(chǎng)合。相對(duì)的，RT Linux在這項(xiàng)指標(biāo)上有了很大的提高，已可滿足最小硬件中斷間隔為1ms的應(yīng)用。

　　●　RT Linux無(wú)論在空載還是滿載的情況下，中斷延時(shí)的方差，相對(duì)其平均值都比較小，這表示RT Linux系統(tǒng)對(duì)硬件中斷的響應(yīng)延時(shí)很一致，響應(yīng)時(shí)間更穩(wěn)定，這也是良好實(shí)時(shí)性的重要指標(biāo)。

　　●　ESM3354相比于ESM3352由于CPU主頻更高，響應(yīng)時(shí)間更短，但是在RT Linux上的響應(yīng)時(shí)間均方差差別不大。由于ESM3352成本更低，而對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性與ESM3354基本相同，所以在選購(gòu)時(shí)客戶可以優(yōu)先考慮性價(jià)比更高的ESM3352。

　　進(jìn)一步，把外部中斷頻率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，即把中斷間隔縮短至1ms，再來(lái)比較中斷響應(yīng)延時(shí)的變化。測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

　　可以看到，外部中斷間隔變小之后，響應(yīng)延時(shí)并沒(méi)有變得更大，反而由于代碼執(zhí)行頻率增加而更有可能常駐高速cache從而更快的得到運(yùn)行，減小響應(yīng)延時(shí)。考慮到我們測(cè)試程序的中斷處理線程在收到中斷后處理比較簡(jiǎn)單，而實(shí)際應(yīng)用中往往需要執(zhí)行更為復(fù)雜的操作，需要更多的執(zhí)行時(shí)間，一般在50us的水平，這樣從硬件中斷開(kāi)始，到處理線程完成響應(yīng)動(dòng)作，最長(zhǎng)需要大約270us時(shí)間。

　　根據(jù)以上的測(cè)試分析，可以認(rèn)為ESM335x + RT Linux系統(tǒng)是完全能滿足最小硬件中斷間隔不低于1ms的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用，這意味著可滿足大部分的實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用需求。

　　我們也將會(huì)在近期推出ESM6800的RT Linux版本，ESM6800采用iMX6UL Cortex-A7 528MHz CPU，以低功耗、低成本為特色，特別適用于對(duì)成本敏感的批量工業(yè)智能設(shè)備。請(qǐng)關(guān)注我們官網(wǎng)以及官方微信公眾號(hào)的最新信息。

　　有興趣的客戶可以直接和我們的工程師進(jìn)行溝通獲取相關(guān)文件進(jìn)行評(píng)估測(cè)試。