Real-Time Linux II

ArticleCategory:

AuthorImage:

TranslationInfo:

original in es Ismael Ripoll 

en to nl Tom Uijldert

AboutTheAuthor:

Abstract:

ArticleIllustration:

ArticleBody:

KU Real-Time Linux (KURT)

• Verbetering van de precisie van de systeemklok. De interrupt (onderbreking) frequentie van de klok is 10 msec. (100 keer per seconde) en het maakt gebruik van de precisie van de tijd waarop de kernel besturingsbeslissingen neemt en de tijd meet. KURT gebruikt hetzelfde mechanisme voor het bijhouden van de tijd als RT-Linux. Het programmeert de klokkaart (8254) voor het genereren van interrupts-op-verzoek in plaats van periodiek. Hiermee kan een precisie van microseconden worden bereikt.
• Een aangepaste scheduler met een nieuw mechanisme genaamd SCHED_KURT naast de bestaande mechanismen, gedefinieerd door Posix en geïmplementeerd in de Linux kernel: SCHED_FIFO, SCHED_RR en SCHED_OTHER.
• Nieuwe systeemaanroepen voor het gebruik van de nieuwe real-time functionaliteit.

Het meest karakteristiek aan KURT is zijn scheduling mechanisme. Er is besloten voor een cyclische scheduler. Een dergelijk type scheduler gebruikt altijd een tabel, plan genaamd, die alle verdeel-acties bevat: Moment van activeren, uit te voeren taak, duur van de taak, etc. De tabel wordt aangemaakt in de ontwerpfase. Tijdens executie bestaat het werk eruit om eenvoudig de tabel uit te lezen en de instructies hieruit op te volgen. Aan het einde van de tabel aangekomen springt de scheduler terug naar het begin en het ritueel kan opnieuw beginnen -- vandaar de term "cyclisch". Een dergelijke scheduler heeft vele voordelen:

• Zeer eenvoudig te implementeren
• Efficiënt
• Na het vullen van de tabel kan de haalbaarheid van de oplossing direct worden vastgesteld (sommige onderzoekers beweren dat dit de énige manier is voor zachte real-time systemen om 100% voorspelbaar gedrag te krijgen).

Waarom eigenlijk Real-Time?

RT-Linux applicaties gaan verder. Hiermee kunnen we de besturing van de PC overnemen (Ik zeg hier PC en niet computer omdat er op dit moment nog geen implementatie van RT-Linux is voor andere platformen) net als bij MS-DOS. Tijdens het uitvoeren van een real-time taak is het mogelijk om alle PC-poorten te benaderen, interrupt-handlers te installeren en deze tijdelijk uit te zetten. Met andere woorden, we kunnen het systeem "crashen" alsof we onder Windows zitten. Deze mogelijkheid is zeer aantrekkelijk voor diegenen die er lol in scheppen om elektronische apparaatjes aan de computer te koppelen.

Loadable Modules

Wat zijn dat?

Modules zijn "delen van het operating systeem" die in een operationeel systeem kunnen worden ingebracht en er weer uitgehaald. Wanneer een programma, dat bestaat uit diverse codebestanden, wordt gecompileerd dan wordt eerst van ieder bestand een objectfile ".o" gemaakt, waarna deze objecten aan elkaar worden geknoopt (linken) en alle verwijzingen worden opgelost om één executeerbaar bestand te maken (executable). Laten we even aannemen dat de objectfile waarin main() staat direct uit kan worden gevoerd en dat het operating systeem daarbij in staat is om dit in geheugen te laden, tezamen met de andere benodigde objectfiles, waarbij verwijzingen worden opgelost daar waar dat nodig is. Welnu, dat kan de kernel ook met zichzelf doen. Tijdens opstart wordt alleen het executeerbare bestand vmlinux ingeladen, waarin alleen de onmisbare basisfunctionaliteit aanwezig is. Later, in de operationele toestand, kan het modules inladen en verwijderen al naar gelang de behoefte.

Het gebruik van modules is optioneel in Linux, deze optie moet mee worden gecompileerd in de kernel. In alle distributies die ik ken is dat al gebeurd.

Het is zelfs mogelijk om nieuwe modules aan te maken en direct in te laden zonder dat het systeem een herstart nodig heeft of een nieuwe compilatie.

Als een module eenmaal is geladen, is het een onderdeel van de kernel geworden, daarom:

• kan het alle functies, structuren en variabelen van de kernel gebruiken.
• wordt de code uitgevoerd met de hoogste privileges. Op de i386 betekent dit het uitvoeren in ring 0 waarmee het als zodanig toegang heeft tot alle in- en uitvoer en alle beveiligde instructies uit kan voeren.
• het geheugengebruik van zowel programma als data is direct in fysiek geheugen waarbij geen paging plaatsvindt of swapping, zoals het ook wel foutief wordt genoemd. Hierdoor wordt het onmogelijk een page fault te genereren gedurende de uitvoering van de module.

Hoe ze te maken en gebruiken?

example1.c

  #define MODULE
  #include <linux/module.h>
  #include <linux/cons.h>
  static int output=1;

  int init_module(void) {
    printk("Output= %d\n",output);
    return 0;
  } 
  void cleanup_module(void){   
    printk("Adiós, Bye, Chao, Ovuar, \n");
  }

  # gcc -I /usr/src/linux/include/linux -O2 -Wall -D__KERNEL__ -c example1.c

De kernel kent geen standard output, waardoor we de functie printf() niet kunnen gebruiken. In plaats daarvan heeft de kernel een functie genaamd printk() die bijna identiek is behalve dan dat de uitvoer naar een ring wordt gestuurd. Al dit soort uitvoer verdwijnt in deze buffer. Dit zijn feitelijk de boodschappen die we zien als het systeem op wordt gestart. Op ieder gewenst moment kunnen we de inhoud van de buffer bekijken met het commando dmesg of door direct in het bestand /proc/kmsg te kijken.

Merk op dat er geen functie main() is en in plaats daarvan de functie init_module(), zonder parameters. cleanup_module() is de laatste functie die aan wordt geroepen voordat de module wordt verwijderd. Het laden van de module kan met het commando insmod.

  # insmod example1.o

  # dmesg | tail -1
  Output= 1   

# lsmod
Module    Pages   Used by:
example1      1          0
sb            6          1
uart401       2  [sb]    1
sound        16  [sb uart401]  0 (autoclean) 

  # rmmod example1
  # dmesg | tail -2
  Output= 1
  Adiós, Bye, Chao, Orvua,     

We hoeven nu alleen te weten hoe we parameters aan een module doorgeven. Niets is minder makkelijk. We kunnen globale variabelen een waarde geven door parameters door te geven aan insmod. Bijvoorbeeld:

  # insmod example1.o output=4
  # dmesg | tail -3
  Output= 1
  Adíos, Bye, Chao, Orvua,
  Output= 4                

Ons eerste Real-Time programma

Er zijn twee manieren om RT-Linux te gebruiken:

1. Als een klassiek real-time systeem met een scheduler die werkt met vaste prioriteitsstellingen.
2. Als een kale PC, iets wat lijkt op wat je ook onder DOS kunt doen: interrupts afvangen en de computer volledig besturen.

example2.c

  #define MODULE
  #include <linux/module.h>
  #include <linux/kernel.h>
  #include <linux/version.h>
  #include <linux/rt_sched.h>
  RT_TASK task;
	  
  void fun(int computo) {
    int loop,x,limit;
    limit = 10;
    while(1){
      for (loop=0; loop<computo; loop++)
        for (x=1; x<limit; x++);
      	
      rt_task_wait();
    }
  }
  
  int init_module(void) {

    RTIME now = rt_get_time(); 

    rt_task_init(&task,fun, 50 , 3000, 1);
    rt_task_make_periodic(&task,
          now+(RTIME)(RT_TICKS_PER_SEC*4000)/1000000,
	 (RTIME)(RT_TICKS_PER_SEC * 100)/1000000);
    return 0;
  }

  void cleanup_module(void){
    rt_task_delete(&task);
  }

# gcc -I /usr/src/linux/include/linux -O2 -Wall -D__KERNEL__ -D__RT__ -c example2.c 

rt_task_make_periodic() maakt de taak periodiek met twee tijdswaarden als parameters. De eerste geeft de absolute tijd aan waarop de taak moet worden gestart. De tweede waarde geeft de periode aan waarop hij vervolgens bij herhaling wordt gestart.

De real-time taak (de functie fun()) is een oneindige lus met slechts twee acties: een lus die alleen maar tijd verdoet en dan rt_task_wait() aanroept. rt_task_wait() is een routine die de geactiveerde taak laat pauzeren tot de volgende activering, op welk moment hij door zal gaan met de instructie die op rt_task_wait() volgt. De lezer moet zich realiseren dat een periodieke taak niet steeds bij het begin start maar dat de taak steeds zichzelf moet stoppen (na de gedane arbeid) en moet wachten op het volgende startsignaal. Met dit mechanisme kan men dus een taak maken die zichzelf alleen maar initialiseert bij de eerste ronde.

Voor het uitvoeren van example2 moeten we eerst de module rt_prio_sched installeren omdat ons programma de functies rt_task_make_periodic(), rt_task_delete() en rt_task_init() nodig heeft. De functie rt_get_time() zit niet in de module maar in de Linux kernel. We hoeven hem daarom niet te installeren voor gebruik.

  # modprobe rt_prio_sched
  # insmod ./example2.o

Als alles goed is gegaan zien we met lsmod dat beide modules zijn geladen.

En dan hebben we nu dus een real-time programma lopen. Valt je iets op? Bij een trage processor zal het de lezer reeds zijn opgevallen dat Linux nu trager reageert dan normaal. Je kunt proberen het aantal omlopen van de lus in fun() te vergroten door andere waarden voor de derde parameter van rt_task_init() te gebruiken. Het is aan te bevelen om hierbij het programma ico te draaien om te zien hoeveel minder processortijd er over is want dat is het effect van het real-time programma op Linux, het lijkt alleen maar alsof de processor traag is geworden. Linux gelooft als het ware dat de processen meer tijd nodig hebben om hun werk te doen. Als de rekentijd van de taak groter wordt dan 100 microseconden dan zal Linux "hangen" omdat Linux een achtergrondtaak is en de real-time taak gebruikt dan 100% van de processortijd. Eigenlijk "hangt" Linux niet echt, het krijgt alleen de processor niet.

Communicatie tussen taken

Met FIFOs kan er dus worden gecommuniceerd tussen taken of met gewone taken.

Gezien vanuit een gewoon proces is een FIFO een speciaal, karakter-georiënteerd, bestand. Meestal onder de naam /dev/rtf0, /dev/rtf1 enz. Deze bestanden zijn normaal gesproken niet aanwezig op Linux dus moeten ze als volgt worden aangemaakt:

  # for i in 0 1 2 3; do mknod  /dev/rtf$i c 63 $i; done 

Gezien vanuit een real-time taak worden de FIFOs gebruikt via bepaalde functieaanroepen:

• rt_create(unsigned int fifo, int size): maakt een FIFO aan met buffergrootte size. Vanaf dat moment, en tot aan de verwijdering, kan het apparaat /dev/rtf[fifo] worden benaderd.
• rt_destroy(unsigned int fifo): de betreffende FIFO wordt verwijderd en het geheugen teruggegeven.
• rt_fifo_put(fifo, char *buf, int count): probeert count bytes vanuit de buffer buf weg te schrijven. De functie retourneert -1 als er niet genoeg ruimte is in de FIFO buffer.
• rt_fifo_get(fifo, char *buf, count): probeert count bytes te lezen uit de FIFO. Als er niet voldoende data aanwezig is wordt er -1 geretourneerd.

example3.c

  #define MODULE
  #include <linux/module.h>
  #include <linux/rt_sched.h> 
	 
  #include <linux/rtf.h>
  #include <asm/io.h>

  RT_TASK task;  

  static int filter(int x){
    static int oldx;
    int ret;
    if (x & 0x80) {
      x = 382 - x;
    }
    ret = x > oldx;
    oldx = x;
    return ret;
  }

  void fun(int dummy) {
    char data;
    char temp;
    while (1) {
      if (rtf_get(0, &data, 1) >  0) {
        data = filter(data);
        temp = inb(0x61);            
        temp &= 0xfd;
        temp |= (data & 1) <<  1;
        outb(temp,0x61);
      }
      rt_task_wait();
    }
  }

  int init_module(void){
    rtf_create(0, 4000);
    
    /* enable counter 2 */
    outb_p(inb_p(0x61)|3, 0x61);
    
    /* to ensure  that the output of the counter is 1 */
    outb_p(0xb0, 0x43);
    outb_p(3, 0x42);
    outb_p(00, 0x42);
    
    rt_task_init(&task, fun,  0 , 3000, 1);   
    rt_task_make_periodic(&task, 
                   (RTIME)rt_get_time()+(RTIME)1000LL, 
                   (RTIME)(RT_TICKS_PER_SEC / 8192LL));

    return 0;
  } 

  void cleanup_module(void){
    rt_task_delete(&task);  
    rtf_destroy(0);
  }

Er wordt een periodieke, real-time taak gecreëerd met een frequentie van 8192 Hz. Deze taak leest bytes in vanuit FIFO 0 en stuurt dit door naar de luidspreker van de PC. Als we nu een geluidsbestand in ".au" formaat kopiëren naar /dev/rtf0 dan kunnen we er naar luisteren. Het moge duidelijk zijn dat dit niet om aan te horen is omdat de hardware van de PC slechts één bit heeft voor modulatie van het signaal. De testing/sound directory heeft een bestand linux.au dat kan worden gebruikt voor het testen.

Om dit te compileren en uit te voeren:

    # gcc -I /usr/src/linux/include/linux -O2 -Wall -D__KERNEL__ -D__RT__ -c example3.c
    # modprobe rt_fifo_new
    # modprobe rt_prio_sched
    # insmod example3.o
    # cat linux.au > /dev/rtf0

Om te kunnen ervaren hoe het real-time gedrag van invloed is op de kwaliteit, hoeven we alleen een programma te maken wat hetzelfde doet in een gewoon Linux proces.

example4.c

  #include <unistd.h>
  #include <asm/io.h>
  #include <time.h>

  static int filter(int x){
    static int oldx;
    int ret;
    if (x & 0x80)
      x = 382 - x;
    ret = x > oldx;
    oldx = x;
    return ret;
  }
  espera(int x){
    int v;
    for (v=0; v<x; v++);
  }
  void fun() {
    char data;
    char temp;

    while (1) {
      if (read(0, &data, 1) >  0) {
        data = filter(data);
        temp = inb(0x61);
        temp &= 0xfd;
        temp |= (data & 1) << 1;
        outb(temp,0x61);
      }
      espera(3000);
    }
  }

  int main(void){
    unsigned char dummy,x;
    ioperm(0x42, 0x3,1); ioperm(0x61, 0x1,1);

    dummy= inb(0x61);espera(10);
    outb(dummy|3, 0x61);

    outb(0xb0, 0x43);espera(10);

    outb(3, 0x42);espera(10);
    outb(00, 0x42);

    fun();
  }

  # gcc -O2 example4.c -o  example4

  # cat linux.au | example4

Ik stel nu voor om example4 te testen tegelijk met het uitvoeren van het ico programma. Hoe hoor je het nu? Hoe is dit ten opzichte van de real-time versie? Heeft real-time hiermee zijn nut bewezen?

Tenslotte

Referenties:

• "Online KURT" B. Srinivasan. http://hegel.ittc.ukans.edu/projects/kurt
• "A Linux-based Real-Time Operating System" door Michael Barabanov. Master of Science, New Mexico Institute of Mining and Technology.
• "Linux as an Embedded Operating System" door Jerry Epplin http://www.espmag.com/97/fe39710.htm
• "Implementing Loadable Kernel Modules for Linux" door Matt Welsh http://www.ddj.com/ddj/1995/1995.05/welsh.html
• "Linux Kernel Internals" door M. Beck, H. Böhme, M. Dziadzka, U. Kunitz, R. Magnus, D. Verworner. Ed: Addison-Wesley.
• "Programación Linux 2.0, API de sistema y funcionamiento del núcleo" door Rémy Card, Eric Dumas y Franck Mével. (Oorspronkelijk in het frans, vertaald naar het spaans). Ed: Eyrolles, Ediciones Gestión 2000.
• "On Satisfying Timing Constraints in Hard-Real-Time Systems" door J. Xu & L. Parmas. IEEE Trans. on Software Engineering. Jan 1993