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本文檔詳細介紹了Linux-RT實時內(nèi)核的性能測試方法，以及使用Linux-RT內(nèi)核進行系統(tǒng)開發(fā)和應用開發(fā)的使用說明。

開發(fā)環(huán)境

Windows開發(fā)環(huán)境：Windows1064bit、Windows764bit

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

LinuxSDK：LinuxSDK-[版本號]（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：

應用開發(fā)交叉編譯工具鏈：aarch64-linux-gnu-gcc（版本為9.4.0）

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

備注：本文基于2GByte LPDDR4X、16GByte eMMC配置單板機進行演示。

術(shù)語表

為便于閱讀，下表對文檔出現(xiàn)的關(guān)鍵術(shù)語進行解釋；對于廣泛認同釋義的術(shù)語，在此不做注釋。

注意事項

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

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

備注：如需固化至系統(tǒng)系統(tǒng)啟動卡，請將命令中的"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)核應用了開源的RT PREEMPT機制進行補丁。PREEMPT_RT補丁的關(guān)鍵是最小化不可搶占的內(nèi)核代碼量，同時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補丁后，增加了系統(tǒng)響應的確定性和實時性，但是代價是CPU性能降低。

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

（1）具有相同的開發(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應用程序在用戶空間中運行。

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

（1）調(diào)度策略。

（2）優(yōu)先級和內(nèi)存控制。

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

2Linux系統(tǒng)實時性測試

本章節(jié)主要介紹使用Cyclictest延遲檢測工具測試Linux系統(tǒng)實時性的方法。Cyclictest是rt-tests測試套件下的一個測試工具，也是rt-tests下使用最廣泛的測試工具，一般主要用來測試內(nèi)核的延遲，從而判斷內(nèi)核的實時性。

Cyclictest常用于實時系統(tǒng)的基準測試，是評估實時系統(tǒng)相對性能的最常用工具之一。Cyclictest反復測量并精確統(tǒng)計線程的實際喚醒時間，以提供有關(guān)系統(tǒng)的延遲信息。它可測量由硬件、固件和操作系統(tǒng)引起的實時系統(tǒng)的延遲。

為了測量延遲，Cyclictest運行一個非實時主線程（調(diào)度類SCHED_OTHER），該線程以定義的實時優(yōu)先級（調(diào)度類SCHED_FIFO）啟動定義數(shù)量的測量線程。測量線程周期性地被一個到期的計時器（循環(huán)報警）所定義的間隔喚醒，隨后計算有效喚醒時間，并通過共享內(nèi)存將其傳遞給主線程。主線程統(tǒng)計延遲值并打印最小、最大和平均延遲時間。

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

2.1Linux、Linux-RT實時性對比

本次測試結(jié)合Iperf和Cyclictest工具，對比測試基于Linux-RT-5.10.209內(nèi)核和Linux-5.10.209內(nèi)核的系統(tǒng)實時性能。此處使用Iperf工具不斷觸發(fā)系統(tǒng)中斷，提高中斷處理負載，以便更好測試系統(tǒng)實時特性。

在Ubuntu執(zhí)行如下命令查看IP地址，并以服務器模式啟動Iperf測試。

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)核啟動單板機，執(zhí)行如下命令以客戶端模式啟動Iperf，并連接至服務器端（Ubuntu系統(tǒng)）。"192.168.13.61"為Ubuntu的IP地址，"-t3600"設置測試時間為3600秒，"&"表示讓程序在后臺運行。

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

圖?4

單板機系統(tǒng)默認已提供Cyclictest工具，進入單板機系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令使用Cyclictest工具測試系統(tǒng)實時性。

Target# cyclictest -t5 -p98 -m -D10m

圖?5?Linux-RT-5.10.209內(nèi)核測試結(jié)果

圖?6?Linux-5.10.209內(nèi)核測試結(jié)果

對比測試數(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)實時性更佳。

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性能測試

本次測試分別在CPU空載、滿負荷（運行stress壓力測試工具）、隔離CPU核心的情況下，對比評估Linux-RT內(nèi)核的系統(tǒng)實時性。

2.2.1CPU空載狀態(tài)

單板機上電啟動，進入單板機系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令修改內(nèi)核printk日志等級，避免內(nèi)核打印信息影響實時測試。

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)存過度使用。避免出現(xiàn)OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進程而產(chǎn)生延遲，影響測試結(jié)果。

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

圖?9

執(zhí)行如下命令，基于CPU空載狀況下測試系統(tǒng)的實時性。測試指令需運行12小時，請保持單板機長時間穩(wěn)定工作，測試完成后將生成統(tǒng)計結(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：鎖定當前和將來的內(nèi)存分配；

-n：使用clock_nanosleep；

-S：采用標準SMP測試；

-p：設置線程優(yōu)先級；

-i：設置線程的基本間隔；

-h：運行后將延遲直方圖轉(zhuǎn)儲至標準輸出，亦可指定要跟蹤的最大延時時間（以微秒為單位）；

-D：指定測試運行時長，附加m（分鐘）、h（小時）、d（天）指定；

-q：運行時不打印相關(guān)信息；

2.2.2CPU滿負荷狀態(tài)

單板機上電啟動，進入單板機系統(tǒng)執(zhí)行如下命令，修改內(nèi)核printk日志等級，避免內(nèi)核打印信息影響實時測試。

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)存過度使用。避免出現(xiàn)OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進程而產(chǎn)生延遲，影響測試結(jié)果。

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

圖?12

執(zhí)行如下命令，運行stress壓力測試工具，使得CPU處于滿負荷狀態(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：指定壓力測試的進程個數(shù)；

--cpu-method：指定CPU壓力測試的方式；

--io：指定I/O測試的進程個數(shù)；

--vm：指定內(nèi)存測試的進程個數(shù)；

--vm-bytes：指定每個內(nèi)存測試進程中分配內(nèi)存的大??；

--timeout：指定測試時長；

使用cyclictest工具測試CPU滿負荷狀態(tài)下的系統(tǒng)實時性能。測試指令需運行12小時，請保持單板機長時間穩(wěn)定工作，測試完成后將生成統(tǒng)計結(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)

本次測試以隔離CPU3核心為例，通過降低系統(tǒng)上所運行的其他進程對隔離CPU3產(chǎn)生的延遲影響，確保CPU3進程的正常運行，進而評估Linux-RT內(nèi)核的系統(tǒng)實時性。

單板機上電啟動后，在U-Boot倒計時結(jié)束之前長按"Ctrl + C"進入U-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啟動系統(tǒng)，請將命令中"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

進入單板機系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，查看環(huán)境變量是否設置成功。

Target# cat /proc/cmdline

圖?17

執(zhí)行如下命令，修改內(nèi)核printk日志等級，避免內(nèi)核打印信息影響實時測試。

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)存過度使用。避免出現(xiàn)OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進程而產(chǎn)生延遲，影響測試結(jié)果。

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

圖?19

執(zhí)行如下命令，運行stress壓力測試工具，使得CPU處于滿負荷狀態(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，程序默認不會運行在CPU3上，需使用taskset工具將cyclictest測試程序運行在所有核心上，測試cyclictest在滿負荷狀態(tài)的CPU3的實時性能。測試指令需運行12小時，請保持單板機長時間穩(wěn)定工作，測試完成后將生成統(tǒng)計結(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)計結(jié)果分析

我司已提供腳本文件get_histogram.sh用于繪制統(tǒng)計結(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)

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

圖?24

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

Host# cp no_load_outputoutput

Host# ./get_histogram.sh

圖?25

圖?26

根據(jù)測試結(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：測試數(shù)據(jù)與實際測試環(huán)境有關(guān)，僅供參考。

（2）CPU滿負荷狀態(tài)

參考如上方法，分析CPU滿負荷狀態(tài)下的統(tǒng)計結(jié)果如下所示。本次測試中，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)計結(jié)果如下所示。本次測試中，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滿負荷、隔離CPU核心三種狀態(tài)的測試結(jié)果可知：當程序指定至隔離的CPU3核心上運行時，Linux系統(tǒng)延遲最低，可有效提高系統(tǒng)實時性。故推薦對實時性要求較高的程序（功能）指定至隔離的CPU核心運行。

由于篇幅過長等原因，部分內(nèi)容均不逐一展示，如需獲取完整版詳細資料，請關(guān)注Tronlong創(chuàng)龍科技微信公眾號或官網(wǎng)，或者評論區(qū)留言，感謝您的支持！

審核編輯 黃宇