EtherCAT是一種由Beckhoff開發(fā)的開放實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，廣泛用于對精度和實(shí)時(shí)性要求較高的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和采集設(shè)備中。

由于我們處于特殊的位置，使我們在推廣EtherCAT主站協(xié)議棧的過程中，我們經(jīng)常會(huì)圍繞實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)與客戶展開討論。根據(jù)EtherCAT主站提供商Acontis公司對全球新客戶統(tǒng)計(jì)，選擇實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)的客戶比重在過去10年逐年增加。2019年新客戶中采用實(shí)時(shí)Linux作為控制器操作系統(tǒng)已超過60%。

從近幾年的經(jīng)驗(yàn)中，對于實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)主要聚焦在采用RT-Preempt 還是Xenomai的爭論上。結(jié)合實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)專家Jan Altenberg在Embedded Linux會(huì)議上的講演。整理出此文，希望可以在RT-Preempt 和Xenomai之間選擇做出參考。

實(shí)時(shí)性

在和客戶的交流過程，部分工程師會(huì)把實(shí)時(shí)性與執(zhí)行速度或性能相混淆。Altenberg在講演中強(qiáng)調(diào)：實(shí)時(shí)性與執(zhí)行速度和性能無關(guān)！

實(shí)時(shí)性的含義不是越快越好，而是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)的確定性（determinismand timing guarantees）。

在技術(shù)討論中，同樣客戶對EtherCAT協(xié)議不存在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)自動(dòng)重傳機(jī)制有類似疑問。

EtherCAT主站的工作原理是按循環(huán)周期發(fā)送數(shù)據(jù)。所以EtherCAT在協(xié)議層面不會(huì)自動(dòng)在后續(xù)周期重新發(fā)送失敗的過程數(shù)據(jù)。

在Embedded Linux會(huì)議講演中，Altenberg還表述了一個(gè)有趣的觀點(diǎn)，他希望大家忘掉“軟實(shí)時(shí)”即Softrealtime 的提法，只存在實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的、確定性和非確定性的區(qū)別。能保證確定性，那就是“硬實(shí)時(shí)” hardrealtime。

Xenomai和Preempt RT

目前，對實(shí)時(shí)Linux方案的選擇集中在Xenomai和Preempt RT之間。Xenomai是在LinuxKernel外增加獨(dú)立內(nèi)核的雙內(nèi)核方案，而Preempt RT是標(biāo)準(zhǔn)的單內(nèi)核實(shí)時(shí)方案。

圖1是Xenomai為代表的雙內(nèi)核方案的原理圖：

圖1 Xenomai原理圖

Altenberg認(rèn)為雙內(nèi)核實(shí)時(shí)方案有幾個(gè)明顯不足。首先，維護(hù)工作量大。其次，Xenomai不能使用標(biāo)準(zhǔn)C庫，實(shí)時(shí)應(yīng)用的開發(fā)需要特殊庫以及單獨(dú)的API。

主流的實(shí)時(shí)Linux方案是基于Preempt RT 的單內(nèi)核方案，通過最大限度地提高Linux內(nèi)核中的可搶占部分，使Linux本身具備實(shí)時(shí)性。如圖2 Premept RT原理圖所示：

圖2Preempt RT原理圖

大約80%的PreemptRT功能已經(jīng)融合進(jìn)Linux主線，所以任何Linux開發(fā)者都可以使用Preempt RT的Linux 內(nèi)核組件。

隨著剩下的20%功能逐漸融入Linux主線，未來有可能不需要在Linux安裝補(bǔ)丁程序而直接使用Preempt RT。

性能比較

實(shí)時(shí)性能最重要的指標(biāo)是延時(shí)。網(wǎng)上有不少文章，表示Xenomai在延遲方面有優(yōu)勢。Altenberg并不認(rèn)同這種觀點(diǎn)，他認(rèn)為是對Preempt RT的錯(cuò)誤配置造成的。

為了證實(shí)，他們的團(tuán)隊(duì)分別找Xenomai和Preempt RT專家，在相同的硬件上進(jìn)行測試。測試對象是高負(fù)載下Xenomai和Preempt RT在延時(shí)Latency和抖動(dòng)Jitter的表現(xiàn)整個(gè)測試程序運(yùn)行12個(gè)小時(shí)。

Altenberg強(qiáng)調(diào)了兩點(diǎn)，第一是測試的最壞結(jié)果才有意義；另外一點(diǎn)是系統(tǒng)拿到中斷后，在用戶空間的應(yīng)用響應(yīng)延時(shí)是對應(yīng)用最有意義的。

在用戶空間的測試結(jié)果，在測試中的最壞延時(shí)，Xenomai和 Preempt RT都在90-95 微秒左右。當(dāng)在Linux系統(tǒng)中只使用單核測試時(shí)，PREEMPT RT最壞的延時(shí)只有大約80微秒，結(jié)果優(yōu)于Xenomai。

在Kernel空間延時(shí)的測試結(jié)果，Xenomai最高延時(shí)在30微秒，單核運(yùn)行Preempt RT的最高延時(shí)60微秒。如果使用FIQ 快速中斷的話，Preempt RT的最壞延時(shí)也達(dá)到30微秒，平均延時(shí)甚至到達(dá)10微秒。

最終，對于開發(fā)人員最有意義的用戶空間內(nèi)最壞延時(shí)方面，兩種實(shí)時(shí)方案在該性能指標(biāo)上展示出近乎相同的數(shù)據(jù)。

但是Preempt RT幾乎已經(jīng)和Linux內(nèi)核主線合并，從系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)角度，Preempt RT的工作量與標(biāo)準(zhǔn)Linux相同。這使Preempt RT與Xenomai相比具備更多優(yōu)勢。

審核編輯 ：李倩