Real Time Application Interface

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1 Real Time Application Interface RTAI-3.x Walter Fetter Lages Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Elétrica Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica ELE213 Programação de Sistemas de Tempo Real Copyright (c) Walter Fetter Lages p.1

2 Introdução Desenvolvido por Paolo Mantegazza no Instituto Politécnico de Milão a partir do RT-Linux Utiliza o conceito de HAL e pipeline de interrupções Mais ênfase a aplicabilidade do sistema do que à índices de desempenhos teóricos Suporta programação em tempo real a nível de usuário (LXRT) e ponto flutuante desde as primeiras versões Copyright (c) Walter Fetter Lages p.2

3 RTAI Chaveamento entre RTAI e kernel padrão Se o RTAI não está montado o kernel normal do Linux é utilizado Suporta SMP Interface estilo POSIX threads Copyright (c) Walter Fetter Lages p.3

4 Módulos Básicos rtai_hal Serviços básicos, despacho de interrupções e timer. rtai_ksched Escalonamento de tarefas no kernel link para rtai_up.ko rtai_smp.ko rtai_mup.ko rtai_lxrt Escalonamento nos espaços do kernel e do usuário Copyright (c) Walter Fetter Lages p.4

5 IPC rtai_bits - sincronização composta rtai_fifos - fifos rtai_mbx - mailboxes rtai_mq - fila de mensagens POSIX rtai_msg - mensagens rtai_netrpc - RPC rtai_sem - semáforos rtai_shm - memória compartilhada rtai_tbx - typed mailboxes Copyright (c) Walter Fetter Lages p.5

6 Utilitários rtai_leds - bits de I/O rtai_math - funções matemáticas rtai_serial - comunicação serial rtai_tasklets - tarefas temporizadas rtai_usi - interrupções no espaço do usuário rtai_wd - watchdog rtai_rtdm - driver de tempo real rtai_16550a - driver para 16550A rtai_calibrate - calibração do timer rtai_signal - tratamento de sinais rtai_smi - SMI workaround Copyright (c) Walter Fetter Lages p.6

7 Escalonadores UP scheduler Máquinas monoprocessador Baseado no 8254 SMP scheduler Máquinas SMP Baseado no 8254 ou APIC timer MUP scheduler Máquinas SMP com apenas 1 processador Baseado no 8254 ou APIC timer LXRT scheduler Escalonamento uniforme nos espaços do kernel e do usuário Copyright (c) Walter Fetter Lages p.7

8 Modos do Timer One-shot Tarefas temporizadas arbitrariamente Timer programado para gerar interrupção no próximo instante Apropriado para processadores com TSC Periódico Tarefas temporizadas em múltiplos do período do timer Período definido na inicialização do timer Apropriado para processadores em TSC Copyright (c) Walter Fetter Lages p.8

9 APIs API nativa API definida pelo RTAI POSIX Threads API pthreads API comum API de compatibilidade entre o RTLinux e o RTAI LXRT Permite a implementação de tarefas de tempo real no espaço de usuário Copyright (c) Walter Fetter Lages p.9

10 Exemplo Piscar um led no bit 0 da porta 0x378 a 0.5 Hz CONN1 Piscar um led no bit 1 da porta 0x3f8+4=0x3fc a 0.5 Hz R1 D k3 CONN S DSR RTS 1 R1 2 D1 D DTR 3k3 1N MALE FEMALE Copyright (c) Walter Fetter Lages p.10

11 Modo kernel API Nativa #include <linux/module.h> #include <asm/io.h> #include <rtai_sched.h> MODULE_AUTHOR("Walter Fetter Lages MODULE_DESCRIPTION("Exemplo de tarefa com API nativa do RTAI"); MODULE_VERSION("1.0.0"); MODULE_LICENSE("GPL"); #define DESIRED_TICK /* 1ms */ static int ioport=0x378; module_param(ioport,int,0664); MODULE_PARM_DESC(ioport,"Porta para I/O"); static RT_TASK blink_task; Copyright (c) Walter Fetter Lages p.11

12 Modo kernel API Nativa static void blink_thread(long port) { char data=0; } for(;;) { } outb(data,port); data=data^0x01; rt_task_wait_period(); Copyright (c) Walter Fetter Lages p.12

13 Modo kernel API Nativa int init_module(void) { RTIME tick; } rt_set_oneshot_mode(); tick=start_rt_timer(nano2count(desired_tick)); rt_task_init(&blink_task,blink_thread,ioport,2048,1,0,null); rt_task_make_periodic(&blink_task,rt_get_time(),1000*tick); return 0; void cleanup_module(void) { stop_rt_timer(); rt_task_delete(&blink_task); outb(0,ioport); } Copyright (c) Walter Fetter Lages p.13

14 Makefile Modo Kernel TARGET=led.ko SRCS=$(TARGET:.ko=.c) RUNINFO=.runinfo CINCLUDE=-I/usr/realtime/include KERNEL_SOURCE=/lib/modules/ uname -r /build EXTRA_CFLAGS+=-D KERNEL -DMODULE $(CINCLUDE) obj-m+=$(target:.ko=.o) all: $(TARGET) $(RUNINFO) $(TARGET): $(TARGET:.ko=.c) $(MAKE) -C $(KERNEL_SOURCE) O=. M= pwd modules $(RUNINFO): Makefile echo "led:sched:push led;sleep 60;popall:" > $(RUNINFO) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.14

15 Modo Kernel com Thread POSIX #include <linux/module.h> #include <asm/io.h> #include <rtai_posix.h> MODULE_AUTHOR("Walter Fetter Lages MODULE_DESCRIPTION("Exemplo de tarefa com thread POSIX"); MODULE_VERSION("1.0.0"); MODULE_LICENSE("GPL"); #define DESIRED_TICK /* 1ms */ static int ioport=0x378; module_param(ioport,int,0664); MODULE_PARM_DESC(ioport,"Porta para I/O"); static RTIME rttick; volatile static int end=0; Copyright (c) Walter Fetter Lages p.15

16 Modo Kernel com Thread POSIX static void *blink_thread(void *port) { char data=0; } rt_task_make_periodic(rt_whoami(),rt_get_time(),1000*rttick) while(!end) { rt_task_wait_period(); outb(data,*((int*)port)); data=data^0x01; } pthread_exit(0); return NULL; Copyright (c) Walter Fetter Lages p.16

17 Modo Kernel com Thread POSIX int init_module(void) { pthread_t blink_id; } rt_set_oneshot_mode(); rttick=start_rt_timer(nano2count(desired_tick)); pthread_create(&blink_id,null,blink_thread,(void *)&ioport); return 0; void cleanup_module(void) { end=1; stop_rt_timer(); outb(0,ioport); } Copyright (c) Walter Fetter Lages p.17

18 Modo Kernel com API POSIX #include <linux/module.h> #include <asm/io.h> #include <rtai_posix.h> MODULE_AUTHOR("Walter Fetter Lages MODULE_DESCRIPTION("Exemplo de tarefa com API POSIX"); MODULE_VERSION("1.0.0"); MODULE_LICENSE("GPL"); static int ioport=0x378; module_param(ioport,int,0664); MODULE_PARM_DESC(ioport,"Porta para I/O"); static timer_t timerid; Copyright (c) Walter Fetter Lages p.18

19 Modo Kernel com API POSIX static void blink_thread(union sigval port) { static char data=0; } outb(data,port.sival_int); data=data^0x01; Copyright (c) Walter Fetter Lages p.19

20 Modo Kernel com API POSIX int init_module(void) { struct sigevent sevp; struct itimerspec value; } start_rt_timer(0); sevp.sigev_notify=sigev_thread; sevp.sigev_value.sival_int=ioport; sevp.sigev_notify_function=blink_thread; sevp.sigev_notify_attributes=null; timer_create(clock_monotonic,&sevp,&timerid); value.it_interval.tv_sec=1; value.it_interval.tv_nsec=0; value.it_value.tv_sec=0; value.it_value.tv_nsec=1; timer_settime(timerid,0,&value,null); return 0; Copyright (c) Walter Fetter Lages p.20

21 Modo Kernel com API POSIX void cleanup_module(void) { timer_delete(timerid); stop_rt_timer(); outb(0,ioport); } Copyright (c) Walter Fetter Lages p.21

22 Modo LXRT com API Nativa #include <sys/io.h> #include <rtai_lxrt.h> #define DESIRED_TICK #define IOPORT 0x378 int main(int argc,char *argv[]) { RT_TASK *maintsk; RTIME tick; int i; char data=0; Copyright (c) Walter Fetter Lages p.22

23 Modo LXRT com API Nativa rt_allow_nonroot_hrt(); rt_set_oneshot_mode(); tick=start_rt_timer(nano2count(desired_tick)); maintsk=rt_task_init(nam2num("led"),1,0,0); rt_make_hard_real_time(); rt_task_make_periodic(maintsk,rt_get_time(),1000*tick); for(i=0; i < 60; i++) { rt_task_wait_period(); outb(data,ioport); data=data^0x01; } rt_make_soft_real_time(); rt_task_delete(maintsk); stop_rt_timer(); return 0; } Copyright (c) Walter Fetter Lages p.23

24 Makefile Modo LXRT TARGET=led SRCS=$(TARGET).c RUNINFO=.runinfo FLAGS=-O2 -Wall -MMD INCLUDE=-I. -I$(HOME)/include -I/usr/realtime/include LIBDIR=-L$(HOME)/lib LIBS= CC=gcc CFLAGS=$(FLAGS) $(INCLUDE) LDFLAGS=$(LIBDIR) $(LIBS) all: $(TARGET) $(RUNINFO) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.24

25 Makefile Modo LXRT $(TARGET): $(SRCS:.c=.o) $(CC) -o $^ $(LDFLAGS) %.o: %.c $(CC) $(CFLAGS) -c -o $< -include $(SRCS:.c=.d) $(RUNINFO): Makefile echo "$(TARGET):lxrt:./$(TARGET);popall:" > $(RUNINFO) clean: rm -f *~ *.bak *.o *.d distclean: clean rm -f $(TARGET) $(RUNINFO) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.25

26 Modo LXRT com Threads POSIX #include <sys/io.h> #include <rtai_posix.h> static volatile int end=0; static void *blink_thread(void *port) { char data=0; struct timespec delay; struct timespec period; rt_allow_nonroot_hrt(); pthread_setschedparam_np(1,sched_fifo,0,0xff, PTHREAD_HARD_REAL_TIME_NP); delay.tv_sec=delay.tv_nsec=0; period.tv_sec=1; period.tv_nsec=0; pthread_make_periodic_np(pthread_self(),&delay,&period); Copyright (c) Walter Fetter Lages p.26

27 Modo LXRT com Threads POSIX } while(!end) { pthread_wait_period_np(); outb(data,*((int*)port)); data=data^0x01; } outb(0,*((int*)port)); pthread_soft_real_time_np(); return NULL; Copyright (c) Walter Fetter Lages p.27

28 Modo LXRT com Threads POSIX int main(int argc,char *argv[]) { pthread_t blink_id; const int ioport=0x378; } start_rt_timer(0); pthread_create(&blink_id,null,blink_thread,(void *)&ioport); sleep(60); end=1; stop_rt_timer(); return 0; Copyright (c) Walter Fetter Lages p.28

29 Makefile Modo LXRT POSIX TARGET=led SRCS=$(TARGET).c RUNINFO=.runinfo RTAIDIR=/usr/realtime FLAGS=-O2 -Wall -MMD INCLUDE=-I. -I$(HOME)/include -I$(RTAIDIR)/include LIBDIR=-L$(HOME)/lib LIBS=-lpthread CC=gcc POSIXWRAP=$(shell $(RTAIDIR)/bin/rtai-config --posix-wrap) CFLAGS=$(FLAGS) $(INCLUDE) LDFLAGS=$(LIBDIR) $(LIBS) $(POSIXWRAP) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.29

30 Makefile Modo LXRT POSIX all: $(TARGET) $(RUNINFO) $(TARGET): $(SRCS:.c=.o) $(CC) -o $^ $(LDFLAGS) %.o: %.c $(CC) $(CFLAGS) -c -o $< -include $(SRCS:.c=.d) $(RUNINFO): Makefile echo "$(TARGET):lxrt:./$(TARGET);popall:" > $(RUNINFO) clean: rm -f *~ *.bak *.o *.d distclean: clean rm -f $(TARGET) $(RUNINFO) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.30

31 Runinfo Para executar aplicações de tempo real pode-se utilizar o script /usr/realtime/bin/rtai-load Informação de como executar a aplicação é obtida do arquivo.runinfo Arquivo oculto no diretório corrente Descreve os módulos que devem ser carregados e os programas no espaço do usuário que devem ser executados Copyright (c) Walter Fetter Lages p.31

32 Formato do.runinfo Cada linha do.runinfo tem a forma target_name:module_dependencies:run_actions:init_comment target_name é um nome para o alvo O default é o primeiro alvo module_dependencies é a lista de módulos a ser carregada Os módulos são separados por + e sem o prefixo rtai_ O módulo rtai_hal é carregado sempre e não precisa ser listado run_actions é a lista dos comandos do shell a serem executados, separados por ponto-e-vírgula Copyright (c) Walter Fetter Lages p.32

33 Ações push <module> pop [<module-list>] popall flush klog exec Comandos precedidos por! são executados por sudo Copyright (c) Walter Fetter Lages p.33

34 init comment Mensagem a ser exibida antes da execução das ações control_c Mensagem para pressionar ˆC Copyright (c) Walter Fetter Lages p.34

35 Exemplo led:lxrt:./led;popall: Copyright (c) Walter Fetter Lages p.35

36 /proc/rtai Informações sobre o funcionamento do sistema Arquivos ASCII Útil para debug hal: temporizador de escalonamento e interrupções scheduler: escalonamento e detalhes das tarefas names: nomes dos objetos do RTAI watchdog: tarefas com problemas fifos: uso das FIFOs pqueue: uso das filas de mensagens POSIX Copyright (c) Walter Fetter Lages p.36