基于 DR1M90 的 Linux-RT 内核开发：从编译配置到 GPIO / 按键应用实现（1）

前 言

本文档主要介绍Linux-RT实时内核的性能测试方法，以及使用Linux-RT内核进行系统开发和应用开发的使用说明。

开发环境

Windows开发环境：Windows10 64bit

Linux开发环境：VMware16.2.5、Ubuntu22.04.4 64bit

LinuxSDK开发包：LinuxSDK-[版本号]（基于SDK_2025.1）

交叉编译工具链：

应用开发：gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu

U-Boot、内核开发：gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu

评估板系统版本：U-Boot-2021.01、Linux-6.1.111、Buildroot-2022.02

备注：本文基于8GByteeMMC、1GByteDDR配置核心板进行演示。

术语表

为便于阅读，下表对文档出现的关键术语进行解释；对于广泛认同释义的术语，在此不做注释。

注意事项

我司默认使用的是Linux内核，同时提供了Linux-RT内核，位于产品资料“4-软件资料LinuxKernelimagelinux-6.1.111-[版本号]-[Git系列号]”目录下。请按照《Linux系统开发手册》替换Kernel镜像章节中的方法替换Linux-RT内核。

Linux-RT介绍

我司提供的Linux-RT内核应用了开源的RT PREEMPT机制进行补丁。PREEMPT_RT补丁的关键是最小化不可抢占的内核代码量，同时最小化必须更改的代码量，以便提供这种附加的可抢占性。Linux-RT内核增加PREEMPT_RT补丁后，增加了系统响应的确定性和实时性，但是代价是CPU性能降低。

Linux-RT内核与普通Linux内核相比，几个主要的相同之处是：

（1）具有相同的开发生态系统，包括相同工具链、文件系统和安装方法，以及相同的POSIX API等。

（2）仍然存在内核空间和用户空间的划分。

（3）Linux应用程序在用户空间中运行。

Linux-RT内核与普通Linux内核在常规编程方式上的几个主要不同之处是：

（1）调度策略。

（2）优先级和内存控制。

（3）基于Linux-RT内核的应用程序使用了调度策略后，系统将根据调度策略对其进行调优。

Linux系统实时性测试

本章节主要介绍使用Cyclictest延迟检测工具测试Linux系统实时性的方法。Cyclictest是rt-tests测试套件下的一个测试工具，也是rt-tests下使用最广泛的测试工具，一般主要用来测试内核的延迟，从而判断内核的实时性。

Cyclictest常用于实时系统的基准测试，是评估实时系统相对性能的最常用工具之一。Cyclictest反复测量并精确统计线程的实际唤醒时间，以提供有关系统的延迟信息。它可测量由硬件、固件和操作系统引起的实时系统的延迟。

为了测量延迟，Cyclictest运行一个非实时主线程（调度类SCHED_OTHER），该线程以定义的实时优先级（调度类SCHED_FIFO）启动定义数量的测量线程。测量线程周期性地被一个到期的计时器（循环报警）所定义的间隔唤醒，随后计算有效唤醒时间，并通过共享内存将其传递给主线程。主线程统计延迟值并打印最小、最大和平均延迟时间。

Linux、Linux-RT实时性对比

本次测试结合Iperf和Cyclictest工具，对比测试基于Linux-RT-6.1.111内核和Linux-6.1.111内核的系统实时性能。此处使用Iperf工具不断触发系统中断，提高中断处理负载，以便更好测试系统实时特性。

在Ubuntu执行如下命令查看IP地址，并以服务器模式启动Iperf测试。

Host# ifconfig

Host# iperf3 -s

图 1

分别使用Linux-RT-6.1.111内核和Linux-6.1.111内核启动评估板进行测试。执行如下命令以客户端模式启动Iperf，并连接至服务器端（Ubuntu系统）。"192.168.13.81"为Ubuntu的IP地址，"-t3600"设置测试时间为3600秒，"&"表示让程序在后台运行。

Target# iperf3 -c 192.168.13.81-d -t3600 > /dev/null 2>&1 &

图 2

评估板文件系统默认已提供Cyclictest工具，进入评估板文件系统，执行如下命令使用Cyclictest工具测试系统实时性。

Target# cyclictest -t5 -p98 -m -D10m

图 3 Linux-RT-6.1.111内核测试结果

图 4 Linux-6.1.111内核测试结果

对比测试数据，可看到基于Linux-RT-6.1.111内核的系统的延迟更加稳定，平均延迟、最大延迟更低，系统实时性更佳。

Cyclictest命令参数解析可执行"cyclictest --help"查看，如下图所示。

图 5

图 6

Linux-RT性能测试

本次测试分别在CPU空载、满负荷（运行stress压力测试工具）、隔离CPU核心的情况下，对比评估Linux-RT内核的系统实时性。

CPU空载状态

评估板上电启动，进入评估板文件系统，执行如下命令修改内核printk日志等级，避免内核打印信息影响实时测试。

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

图 7

调整内存分配策略为"2"，禁用内存过度使用。避免出现OOM(Out-of-Memory) Killer攻击某些进程而产生延迟，影响测试结果。

Target# echo 2> /proc/sys/vm/overcommit_memory

图 8

执行如下命令，基于CPU空载状况下测试系统的实时性。测试指令需运行12小时，请保持评估板长时间稳定工作，测试完成后将生成统计结果no_load_output文件。

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

图 9

参数解析：

-m：锁定当前和将来的内存分配；

-S：采用标准SMP测试；

-p：设置线程优先级；

-i：设置线程的基本间隔；

-h：运行后将延迟直方图转储至标准输出，亦可指定要跟踪的最大延时时间（以微秒为单位）；

-D：指定测试运行时长，附加m（分钟）、h（小时）、d（天）指定；

-q：运行时不打印相关信息；

CPU满负荷状态

评估板上电启动，进入评估板文件系统执行如下命令，修改内核printk日志等级，避免内核打印信息影响实时测试。

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

图 10

调整内存分配策略为"2"，禁用内存过度使用。避免出现OOM(Out-of-Memory) Killer攻击某些进程而产生延迟，影响测试结果。

Target# echo 2 > /proc/sys/vm/overcommit_memory

图 11

执行如下命令，运行stress压力测试工具，使得CPU处于满负荷状态。

Target# stress-ng --cpu 2 --cpu-method=all --io 2 --vm 2 --vm-bytes 32M --timeout 43200s &

图 12

参数解析：

--cpu：指定压力测试的进程个数；

--cpu-method：指定CPU压力测试的方式；

--io：指定I/O测试的进程个数；

--vm：指定内存测试的进程个数；

--vm-bytes：指定每个内存测试进程中分配内存的大小；

--timeout：指定测试时长；

使用cyclictest工具测试CPU满负荷状态下的系统实时性能。测试指令需运行12小时，请保持评估板长时间稳定工作，测试完成后将生成统计结果overload_output文件。

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

图 13

隔离CPU核心状态

本次测试以隔离CPU1核心为例，通过降低系统上所运行的其他进程对隔离CPU1产生的延迟影响，确保CPU1进程的正常运行，进而评估Linux-RT内核的系统实时性。

评估板上电启动后，在U-Boot倒计时结束之前长按"Ctrl + C"进入U-Boot命令行模式，执行如下命令，修改环境变量，隔离CPU1核心。

U-Boot# setenv mmc_boot 'if mmc dev ${devnum}; then devtype=mmc; if test ${devnum} -eq 0; then setenv bootargs '"'"'console=ttyS1,115200n8 earlycon=uart,mmio32,0xf8401000 loglevel=8 root=/dev/mmcblk0p2 rw rootfstype=ext4 rootwait isolcpus=1'"'"'; fi; if test ${devnum} -eq 1; then setenv bootargs '"'"'console=ttyS1,115200n8 earlycon=uart,mmio32,0xf8401000 loglevel=8 root=/dev/mmcblk1p2 rw rootfstype=ext4 rootwait isolcpus=1'"'"'; fi; ext4load mmc ${devnum}:2 ${kernel_addr_r} ${bootdir}/${kernel_image}; ext4load mmc ${devnum}:2 ${fdt_addr_r} ${bootdir}/${devicetree_image}; bootm ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}; run scan_dev_for_boot_part2; fi'

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

图 14

如需恢复U-Boot环境变量，在U-Boot命令行模式执行以下命令。

U-Boot# env default -a-f

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

图 15

进入评估板文件系统，执行如下命令，查看环境变量是否设置成功。

Target# cat /proc/cmdline

图 16

执行如下命令，修改内核printk日志等级，避免内核打印信息影响实时测试。

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

图 17

调整内存分配策略为"2"，禁用内存过度使用。避免出现OOM(Out-of-Memory) Killer攻击某些进程而产生延迟，影响测试结果。

Target# echo 2> /proc/sys/vm/overcommit_memory

图 18

执行如下命令，运行stress压力测试工具，使得CPU处于满负荷状态。

Target# stress-ng --cpu 2 --cpu-method=all --io 2 --vm 2 --vm-bytes 32M --timeout 43200s &

图 19

因CPU1核心被隔离，程序默认不会在CPU1上运行，需使用taskset工具将cyclictest测试程序运行在所有核心上，测试cyclictest在满负荷状态的CPU0和被隔离的CPU1的实时性能。测试指令需运行12小时，请保持评估板长时间稳定工作，测试完成后将生成统计结果iso_overload_output文件。

Target# taskset -c 0-1 cyclictest -m -Sp99 -i1000 -h800 -D12h -q > iso_overload_output

图 20

统计结果分析

我司已提供脚本文件get_histogram.sh用于绘制统计结果直方图，位于产品资料“4-软件资料Demolinux-rt-demoscyclictestbin”目录下，请将该脚本文件拷贝至Ubuntu工作目录下。

图 21

在Ubuntu系统执行如下命令，安装gnuplot工具。

Host# sudo apt-get install gnuplot

图 22

（1）CPU空载状态

请将CPU空载状态下的统计结果no_load_output文件拷贝至Windows工作目录，使用Windows文本工具打开该文件并拖动至文件末尾，可查看Linux系统每个核心CPU0~CPU1的最小延迟(Min Latencies)、平均延迟(Avg Latencies)、最大延迟(Max Latencies)统计结果。

图 23

请将CPU空载状态下的统计结果no_load_output文件拷贝至Ubuntu，存放在get_histogram.sh同一目录下。拷贝no_load_output文件为output文件。执行如下命令生成直方图文件plot.png，请将其拷贝至Windows下并打开。

Host# cp no_load_output output

Host# ./get_histogram.sh

图 24

图 25

根据测试结果output文件数据以及结合直方图，可得主要数据如下表。本次测试中，CPU1核心Max Latencies值最大，为44us，CPU0核心的Max Latencies值最小，为42us。

备注：测试数据与实际测试环境有关，仅供参考。

（2）CPU满负荷状态

参考如上方法，分析CPU满负荷状态下的统计结果如下所示。本次测试中，CPU1核心Max Latencies值最大，为100us，CPU0核心的Max Latencies值最小，为78us。

图 26

（3）隔离CPU核心状态

参考如上方法，分析隔离CPU核心状态下的统计结果如下所示。本次测试中，CPU0核心Max Latencies值最大，为42us，隔离CPU1核心的Max Latencies值最小，为28us。

根据CPU空载、CPU满负荷、隔离CPU核心三种状态的测试结果可知：当程序指定至隔离的CPU1核心上运行时，Linux系统延迟最低，可有效提高系统实时性。故推荐对实时性要求较高的程序（功能）指定至隔离的CPU核心运行。

外设使用说明

我司提供的Linux-RT内核与普通Linux内核测试方法一致，请参考《评估板测试手册》进行测试即可。Linux-RT内核支持的外设接口及测试结果汇总如下表所示。

系统使用说明

Linux-RT内核与普通Linux内核在系统使用上保持一致，具体操作方法请参考《Linux系统使用手册》。

​审核编辑 黄宇