?前 言

本文檔詳細(xì)介紹了Linux-RT實(shí)時(shí)內(nèi)核的性能測(cè)試方法，以及使用Linux-RT內(nèi)核進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的使用說(shuō)明。

開(kāi)發(fā)環(huán)境

Windows開(kāi)發(fā)環(huán)境：Windows1064bit、Windows764bit

Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境：VMware16.2.5、Ubuntu20.04.6 64bit

LinuxSDK：LinuxSDK-[版本號(hào)]（基于rk3562_linux_sdk_release_v1.2.0）

系統(tǒng)版本：Tronlong-Desktop 20.04、Linux-5.10.209、Linux-RT-5.10.209、U-Boot-2017.09

交叉編譯工具鏈：

應(yīng)用開(kāi)發(fā)交叉編譯工具鏈：aarch64-linux-gnu-gcc（版本為9.4.0）

U-Boot開(kāi)發(fā)、內(nèi)核開(kāi)發(fā)：gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf

備注：本文基于2GByte LPDDR4X、16GByte eMMC配置單板機(jī)進(jìn)行演示。

術(shù)語(yǔ)表

為便于閱讀，下表對(duì)文檔出現(xiàn)的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)進(jìn)行解釋；對(duì)于廣泛認(rèn)同釋義的術(shù)語(yǔ)，在此不做注釋。

注意事項(xiàng)

我司默認(rèn)使用的是Linux內(nèi)核，同時(shí)提供了Linux-RT內(nèi)核位于產(chǎn)品資料“4-軟件資料LinuxKernelimagelinux-5.10-[版本號(hào)]-[Git系列號(hào)]”目錄下。請(qǐng)按照如下方法替換為L(zhǎng)inux-RT內(nèi)核。

將Linux-RT內(nèi)核鏡像boot-rt.img拷貝至單板機(jī)系統(tǒng)任意目錄下。執(zhí)行如下命令，替換內(nèi)核鏡像至eMMC，單板機(jī)重啟生效。

備注：如需固化至系統(tǒng)系統(tǒng)啟動(dòng)卡，請(qǐng)將命令中的"mmcblk0p3"替換為"mmcblk1p3"。

Target# dd if=boot-rt.img of=/dev/mmcblk0p3conv=fsync

Target# sync

Target# reboot

圖?1

圖?2?Linux-RT內(nèi)核

1Linux-RT介紹

我司提供的Linux-RT內(nèi)核應(yīng)用了開(kāi)源的RT PREEMPT機(jī)制進(jìn)行補(bǔ)丁。PREEMPT_RT補(bǔ)丁的關(guān)鍵是最小化不可搶占的內(nèi)核代碼量，同時(shí)最小化必須更改的代碼量，以便提供這種附加的可搶占性。Linux-RT內(nèi)核增加PREEMPT_RT補(bǔ)丁后，增加了系統(tǒng)響應(yīng)的確定性和實(shí)時(shí)性，但是代價(jià)是CPU性能降低。

Linux-RT內(nèi)核與普通Linux內(nèi)核相比，幾個(gè)主要的相同之處是：

（1）具有相同的開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，包括相同工具鏈、文件系統(tǒng)和安裝方法，以及相同的POSIX API等。

（2）仍然存在內(nèi)核空間和用戶空間的劃分。

（3）Linux應(yīng)用程序在用戶空間中運(yùn)行。

Linux-RT內(nèi)核與普通Linux內(nèi)核在常規(guī)編程方式上的幾個(gè)主要不同之處是：

（1）調(diào)度策略。

（2）優(yōu)先級(jí)和內(nèi)存控制。

（3）基于Linux-RT內(nèi)核的應(yīng)用程序使用了調(diào)度策略后，系統(tǒng)將根據(jù)調(diào)度策略對(duì)其進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

2Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試

本章節(jié)主要介紹使用Cyclictest延遲檢測(cè)工具測(cè)試Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的方法。Cyclictest是rt-tests測(cè)試套件下的一個(gè)測(cè)試工具，也是rt-tests下使用最廣泛的測(cè)試工具，一般主要用來(lái)測(cè)試內(nèi)核的延遲，從而判斷內(nèi)核的實(shí)時(shí)性。

Cyclictest常用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的基準(zhǔn)測(cè)試，是評(píng)估實(shí)時(shí)系統(tǒng)相對(duì)性能的最常用工具之一。Cyclictest反復(fù)測(cè)量并精確統(tǒng)計(jì)線程的實(shí)際喚醒時(shí)間，以提供有關(guān)系統(tǒng)的延遲信息。它可測(cè)量由硬件、固件和操作系統(tǒng)引起的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的延遲。

為了測(cè)量延遲，Cyclictest運(yùn)行一個(gè)非實(shí)時(shí)主線程（調(diào)度類SCHED_OTHER），該線程以定義的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)（調(diào)度類SCHED_FIFO）啟動(dòng)定義數(shù)量的測(cè)量線程。測(cè)量線程周期性地被一個(gè)到期的計(jì)時(shí)器（循環(huán)報(bào)警）所定義的間隔喚醒，隨后計(jì)算有效喚醒時(shí)間，并通過(guò)共享內(nèi)存將其傳遞給主線程。主線程統(tǒng)計(jì)延遲值并打印最小、最大和平均延遲時(shí)間。

參考鏈接：https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/tools/cyclictest/start?s=cyclictest。

2.1Linux、Linux-RT實(shí)時(shí)性對(duì)比

本次測(cè)試結(jié)合Iperf和Cyclictest工具，對(duì)比測(cè)試基于Linux-RT-5.10.209內(nèi)核和Linux-5.10.209內(nèi)核的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。此處使用Iperf工具不斷觸發(fā)系統(tǒng)中斷，提高中斷處理負(fù)載，以便更好測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)特性。

在Ubuntu執(zhí)行如下命令查看IP地址，并以服務(wù)器模式啟動(dòng)Iperf測(cè)試。

Host# ifconfig

Host# iperf3 -s

圖?3

分別使用Linux-RT-5.10.209內(nèi)核和Linux-5.10.209內(nèi)核啟動(dòng)單板機(jī)，執(zhí)行如下命令以客戶端模式啟動(dòng)Iperf，并連接至服務(wù)器端（Ubuntu系統(tǒng)）。"192.168.13.61"為Ubuntu的IP地址，"-t3600"設(shè)置測(cè)試時(shí)間為3600秒，"&"表示讓程序在后臺(tái)運(yùn)行。

Target# iperf3 -c 192.168.13.61 -d -t3600 > /dev/null 2>&1 &

圖?4

單板機(jī)系統(tǒng)默認(rèn)已提供Cyclictest工具，進(jìn)入單板機(jī)系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令使用Cyclictest工具測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

Target# cyclictest -t5 -p98 -m -D10m

圖?5?Linux-RT-5.10.209內(nèi)核測(cè)試結(jié)果

圖?6?Linux-5.10.209內(nèi)核測(cè)試結(jié)果

對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，可看到基于Linux-RT-5.10.209內(nèi)核的系統(tǒng)的延遲更加穩(wěn)定，平均延遲、最大延遲更低，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更佳。

Cyclictest命令參數(shù)解析可執(zhí)行"cyclictest --help"查看，如下圖所示。

圖?7

2.2Linux-RT性能測(cè)試

本次測(cè)試分別在CPU空載、滿負(fù)荷（運(yùn)行stress壓力測(cè)試工具）、隔離CPU核心的情況下，對(duì)比評(píng)估Linux-RT內(nèi)核的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

2.2.1CPU空載狀態(tài)

單板機(jī)上電啟動(dòng)，進(jìn)入單板機(jī)系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令修改內(nèi)核printk日志等級(jí)，避免內(nèi)核打印信息影響實(shí)時(shí)測(cè)試。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

圖?8

調(diào)整內(nèi)存分配策略為"1"，禁用內(nèi)存過(guò)度使用。避免出現(xiàn)OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進(jìn)程而產(chǎn)生延遲，影響測(cè)試結(jié)果。

Target# echo 1 > /proc/sys/vm/overcommit_memory

圖?9

執(zhí)行如下命令，基于CPU空載狀況下測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。測(cè)試指令需運(yùn)行12小時(shí)，請(qǐng)保持單板機(jī)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，測(cè)試完成后將生成統(tǒng)計(jì)結(jié)果no_load_output文件。

Target# cyclictest -m -Sp99 -i1000 -h800 -D12h -q > no_load_output

圖?10

參數(shù)解析：

-m：鎖定當(dāng)前和將來(lái)的內(nèi)存分配；

-n：使用clock_nanosleep；

-S：采用標(biāo)準(zhǔn)SMP測(cè)試；

-p：設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)；

-i：設(shè)置線程的基本間隔；

-h：運(yùn)行后將延遲直方圖轉(zhuǎn)儲(chǔ)至標(biāo)準(zhǔn)輸出，亦可指定要跟蹤的最大延時(shí)時(shí)間（以微秒為單位）；

-D：指定測(cè)試運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，附加m（分鐘）、h（小時(shí)）、d（天）指定；

-q：運(yùn)行時(shí)不打印相關(guān)信息；

2.2.2CPU滿負(fù)荷狀態(tài)

單板機(jī)上電啟動(dòng)，進(jìn)入單板機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行如下命令，修改內(nèi)核printk日志等級(jí)，避免內(nèi)核打印信息影響實(shí)時(shí)測(cè)試。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

圖?11

調(diào)整內(nèi)存分配策略為"1"，禁用內(nèi)存過(guò)度使用。避免出現(xiàn)OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進(jìn)程而產(chǎn)生延遲，影響測(cè)試結(jié)果。

Target# echo 1 > /proc/sys/vm/overcommit_memory

圖?12

執(zhí)行如下命令，運(yùn)行stress壓力測(cè)試工具，使得CPU處于滿負(fù)荷狀態(tài)。

Target# stress-ng --cpu 4 --cpu-method=all --io 4 --vm 4 --vm-bytes 64M --timeout 43200s &

圖?13

參數(shù)解析：

--cpu：指定壓力測(cè)試的進(jìn)程個(gè)數(shù)；

--cpu-method：指定CPU壓力測(cè)試的方式；

--io：指定I/O測(cè)試的進(jìn)程個(gè)數(shù)；

--vm：指定內(nèi)存測(cè)試的進(jìn)程個(gè)數(shù)；

--vm-bytes：指定每個(gè)內(nèi)存測(cè)試進(jìn)程中分配內(nèi)存的大??；

--timeout：指定測(cè)試時(shí)長(zhǎng)；

使用cyclictest工具測(cè)試CPU滿負(fù)荷狀態(tài)下的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。測(cè)試指令需運(yùn)行12小時(shí)，請(qǐng)保持單板機(jī)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，測(cè)試完成后將生成統(tǒng)計(jì)結(jié)果overload_output文件。

Target# cyclictest -m -Sp99 -i1000 -h800 -D12h -q > overload_output

圖?14

2.2.3隔離CPU核心狀態(tài)

本次測(cè)試以隔離CPU3核心為例，通過(guò)降低系統(tǒng)上所運(yùn)行的其他進(jìn)程對(duì)隔離CPU3產(chǎn)生的延遲影響，確保CPU3進(jìn)程的正常運(yùn)行，進(jìn)而評(píng)估Linux-RT內(nèi)核的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

單板機(jī)上電啟動(dòng)后，在U-Boot倒計(jì)時(shí)結(jié)束之前長(zhǎng)按"Ctrl + C"進(jìn)入U(xiǎn)-Boot命令行模式，執(zhí)行如下命令，修改環(huán)境變量，隔離CPU3核心。

備注：若從板載eMMC啟動(dòng)系統(tǒng)，請(qǐng)將命令中"sd"修改為"emmc"。

U-Boot# setenv bootargs "storagemedia=sd androidboot.storagemedia=sd androidboot.mode=normal isolcpus=3"

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

圖?15

如需恢復(fù)U-Boot環(huán)境變量，在U-Boot命令行模式執(zhí)行以下命令。

U-Boot# env default -f -a

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

圖?16

進(jìn)入單板機(jī)系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，查看環(huán)境變量是否設(shè)置成功。

Target# cat /proc/cmdline

圖?17

執(zhí)行如下命令，修改內(nèi)核printk日志等級(jí)，避免內(nèi)核打印信息影響實(shí)時(shí)測(cè)試。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

圖?18

調(diào)整內(nèi)存分配策略為"1"，禁用內(nèi)存過(guò)度使用。避免出現(xiàn)OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進(jìn)程而產(chǎn)生延遲，影響測(cè)試結(jié)果。

Target# echo 1 > /proc/sys/vm/overcommit_memory

圖?19

執(zhí)行如下命令，運(yùn)行stress壓力測(cè)試工具，使得CPU處于滿負(fù)荷狀態(tài)。

Target# stress-ng --cpu 4 --cpu-method=all --io 4 --vm 4 --vm-bytes 64M --timeout 43200s &

圖?20

因CPU3核心被隔離，程序默認(rèn)不會(huì)運(yùn)行在CPU3上，需使用taskset工具將cyclictest測(cè)試程序運(yùn)行在所有核心上，測(cè)試cyclictest在滿負(fù)荷狀態(tài)的CPU3的實(shí)時(shí)性能。測(cè)試指令需運(yùn)行12小時(shí)，請(qǐng)保持單板機(jī)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，測(cè)試完成后將生成統(tǒng)計(jì)結(jié)果iso_overload_output文件。

Target# taskset -c 0-3 cyclictest -m -Sp99 -i1000 -h800 -D12h -q > iso_overload_output

圖?21

2.2.4統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

我司已提供腳本文件get_histogram.sh用于繪制統(tǒng)計(jì)結(jié)果直方圖，位于產(chǎn)品資料“4-軟件資料Demolinux-rt-demoscyclictest”目錄下，請(qǐng)將該腳本文件拷貝至Ubuntu工作目錄下。

圖?22

在Ubuntu系統(tǒng)執(zhí)行如下命令，安裝gnuplot工具。

Host# sudo apt-get install gnuplot

圖?23

（1）CPU空載狀態(tài)

請(qǐng)將CPU空載狀態(tài)下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果no_load_output文件拷貝至Windows工作目錄，使用Windows文本工具打開(kāi)該文件并拖動(dòng)至文件末尾，可查看Linux系統(tǒng)每個(gè)核心CPU0~CPU3的最小延遲(Min Latencies)、平均延遲(Avg Latencies)、最大延遲(Max Latencies)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖?24

請(qǐng)將CPU空載狀態(tài)下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果no_load_output文件拷貝至Ubuntu，存放在get_histogram.sh同一目錄下。拷貝no_load_output文件為output文件。執(zhí)行如下命令生成直方圖文件plot.png，請(qǐng)將其拷貝至Windows下并打開(kāi)。

Host# cp no_load_outputoutput

Host# ./get_histogram.sh

圖?25

圖?26

根據(jù)測(cè)試結(jié)果output文件數(shù)據(jù)以及結(jié)合直方圖，可得主要數(shù)據(jù)如下表。本次測(cè)試中，CPU1核心Max Latencies值最大，為74us，CPU2核心的Max Latencies值最小，為49us。

備注：測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試環(huán)境有關(guān)，僅供參考。

（2）CPU滿負(fù)荷狀態(tài)

參考如上方法，分析CPU滿負(fù)荷狀態(tài)下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下所示。本次測(cè)試中，CPU2核心Max Latencies值最大，為195us，CPU1核心的Max Latencies值最小，為135us。

圖?27

（3）隔離CPU核心狀態(tài)

參考如上方法，分析隔離CPU核心狀態(tài)下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下所示。本次測(cè)試中，CPU0核心Max Latencies值最大，為284us，隔離CPU3核心的Max Latencies值最小，為76us。

圖?28

根據(jù)CPU空載、CPU滿負(fù)荷、隔離CPU核心三種狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果可知：當(dāng)程序指定至隔離的CPU3核心上運(yùn)行時(shí)，Linux系統(tǒng)延遲最低，可有效提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。故推薦對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的程序（功能）指定至隔離的CPU核心運(yùn)行。

由于篇幅過(guò)長(zhǎng)等原因，部分內(nèi)容均不逐一展示，如需獲取完整版詳細(xì)資料，請(qǐng)關(guān)注Tronlong創(chuàng)龍科技微信公眾號(hào)或官網(wǎng)，或者評(píng)論區(qū)留言，感謝您的支持！

審核編輯 黃宇