关键词：麒麟Linux、Preempt RT、实时性、闭环控制
导读
实时系统的主要特点是必须保证操作的时间确定性【1】，需要在确定的时间内完成确定的操作。比如，闭环控制应用，通常是以固定的周期进行循环，如果程序不能在下一个周期前完成需要的操作，则会影响到整个控制的效果。每周期具体操作消耗的时间主要由每周期程序开始执行的Latency和相关计算所需要的时间组成。相关计算所需要的时间与具体计算的复杂度等因素有关，一般比较确定，也比较容易评估。而每周期程序开始执行的Latency则与操作系统的实时性能有关，可以通过程序进行长时间的测试统计来进行评估。本文接下来将展示在使用了 Preempt RT 补丁的银河麒麟V10系统中，使用rt-tests中的cyclictest工具对系统进行实时性测评的结果。
测试环境和配置
硬件环境：JYTEK PXIe-63985（Intel® Core™ i7-4700EQ 2.4 GHz四核处理器）
操作系统：银河麒麟V10
内核版本：5.4.193
Preempt RT Patch版本：5.4.193-rt74
测试的期望周期：200μs
测试总的周期数：1080M次（60小时）
进程优先级：最高优先级Realtime
进程调度方式：Sched FIFO
系统性能优化【2】：关闭超线程，隔离CPU3用于实时任务，中断优化等
实时性测评原理
周期任务运行的主要过程如下图所示：
图 1 周期任务的运行过程
衡量操作系统在指定时刻执行操作的Latency，可以采用定时循环的方式，统计每个周期程序开始执行的实际时刻与期望时刻的延迟来确定。图1中，从T0时刻开始，程序以期望周期进行循环，预期T1时刻会第二次执行具体的操作，而由于系统的调度，并不能刚好在T1时刻程序可以恢复执行，实际会多一个Latency时间后再开始执行具体操作。这个Latency的统计结果（包括最大值、最小值、平均值、直方图分布），在闭环控制的应用中可以决定最高闭环控制的频率。
在隔离CPU中运行的测评结果
按照我们测试的配置，CPU3被隔离出来，能够尽可能小的受到系统其它进程和中断的影响，测试的统计结果如下图所示：
图 2 隔离CPU上的测量结果
图中横坐标表示时间，单位μs，纵坐标表示对应时间统计到的次数，纵坐标采用对数显示（由于纵坐标各个时间对应的数值相差较大，线性坐标不能完整的看清楚各个时间对应的数值，所以采用对数坐标，下同）。
图中可见，在隔离CPU中运行定时循环，周期Latency的最大值为17μs，最小值为1μs，平均值为1μs。其中，1~4μs范围占了99.997326%，1~8μs范围占了99.999969%，也就是有不到十万分之3的几率大于4μs，不到千万分之3的几率大于8μs，100%在17μs以内。
在非隔离CPU中运行的测评结果
按照我们测试的配置，CPU3被隔离出来，为了对比隔离CPU和非隔离CPU的差异，我们同时在CPU2运行另外一个测试，最大程序减少中断的影响，能配置的中断都配置到了CPU0和CPU1了。测试的统计结果如图3所示。
图中可见，在非隔离CPU中运行定时循环，周期Latency的最大值为19μs，最小值为1μs，平均值为1μs。其中，1~4μs范围占了99.917870%，1~8μs范围占了99.999925%，也就是有将近万分之8的几率大于4μs，不到千万分之8的几率大于5μs，100%在19μs以内。
图 3 非隔离CPU上的测量结果
总结
从以上隔离/非隔离CPU运行的Latency测试结果可以得知：通过性能优化后，在隔离CPU上运行的程序每周期的Latency明显的更集中于低延迟，出现较大Latency的可能性更小。而在非隔离CPU中运行的程序，由于可能受到系统中其他进程的影响，相对来说Latency的集中度要差一点，但即便如此，最大的Latency也只有19μs。
对于闭环控制应用，每周期除了固定的Latency以外，其他时间是用户做采集、输出和运算等操作可以使用的时间。从测试结果来看，如果以200μs的周期做闭环控制，用户可用的时间最少为181μs。因此，如果用户的采集、输出和运算的最大时间（Tμ_max）确定，根据以上测试的结果，我们可以得知这套实时系统能够做的最小闭环周期为：Tμ_max + MaxLatency。
参考
1. 实时系统的性能时标评估：https://wenku.baidu.com/view/10078dd4fa0f76c66137ee06eff9aef8941e48a8.html
2. HOWTO: Build an RT-application：https://rt.wiki.kernel.org/index.php/HOWTO:_Build_an_RT-application
3. Preempt RT：https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/start
