Running Real-Time Tasks in Linux (x86 and ARM) - PowerPoint PPT Presentation

¡ Running ¡Real-­‑Time ¡Tasks ¡ ¡ in ¡Linux ¡(x86 ¡and ¡ARM) ¡ Sisu ¡Xi ¡ CSE ¡467S, ¡Spring, ¡04/14/2014 ¡

Real-­‑Time ¡Tasks ¡ Ø Task: ¡a ¡sequence ¡of ¡jobs ¡ Period ¡ q Worst ¡case ¡execuEon ¡Eme ¡ q Deadline ¡(usually ¡equals ¡period) ¡ q Ø Scheduler ¡ StaEc ¡priority: ¡RM ¡ 15 0 5 10 Time q schedulable deadline miss Dynamic ¡priority: ¡EDF ¡ q A real time task with period of 5, PreempEve ¡vs. ¡non-­‑preempEve ¡ q execution time of 2, and deadline of 4 1. ¡Periodically ¡triggered ¡tasks? ¡ 3. ¡Scheduler ¡setup? ¡ 2. ¡Worst ¡case ¡execu7on ¡7me? ¡ 4. ¡Deadline ¡miss? ¡ 2 ¡

1. ¡Periodically ¡Triggered ¡Task ¡ Ø Video ¡decoding, ¡sensor ¡processing, ¡etc. ¡ hTp://www.cse.wustl.edu/~xis/programs/period_task.c ¡ Ø struct sigaction sa; … sa.sa_sigaction = work; sigaction(SIGRTMIN, &sa, NULL); … struct sigevent timer_event; timer_event.sigev_signo = SIGRTMIN; … timer_create(CLOCK_REALTIME, &timer_event, &timer); timer_settime(timer, TIMER_ABSTIME, &timerspec, NULL); … Ø Many ¡other ¡approaches, ¡see ¡pointers ¡ 3 ¡

2. ¡Workload ¡for ¡Tasks ¡– ¡Setup ¡ ¡ Ø Minimize ¡interference/uncertainEes ¡ Turn ¡off ¡unnecessary ¡services ¡ q • Bluetooth, ¡network, ¡graphic, ¡etc ¡ Fix ¡CPU ¡frequency ¡ q • CPU ¡frequency ¡scaling ¡ hTps://wiki.archlinux.org/index.php/CPU_Frequency_Scaling ¡ • CPU ¡frequency ¡governors ¡ hTp://www.mjmwired.net/kernel/DocumentaEon/cpu-­‑freq/ governors.txt ¡ ¡ • Disable ¡in ¡BIOS ¡(SpeedStep ¡for ¡Intel, ¡PowerNow ¡for ¡AMD) ¡ • Set ¡to ¡Performance/Custom/PowerSave ¡ ls ¡/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/ ¡ § echo ¡performance ¡> ¡/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/ § governors ¡ 4 ¡

2. ¡Workload ¡for ¡Tasks ¡– ¡Programs ¡ ¡ Ø Simulated ¡workload ¡ WCET ¡benchmarks ¡ q hTp://www.mrtc.mdh.se/projects/wcet/benchmarks.html ¡ SNU ¡real-­‑Eme ¡benchmarks ¡ q hTp://www.cprover.org/goto-­‑cc/examples/snu.html ¡ MiBench ¡benchmarks ¡hTp://www.eecs.umich.edu/mibench/ ¡ q Video ¡player: ¡“Sod ¡Real-­‑Time ¡on ¡MulEprocessors: ¡Are ¡Analysis-­‑ q Based ¡Scheduler ¡Really ¡Worth ¡It?” ¡[RTSS’11] ¡ hTps://wiki.litmus-­‑rt.org/litmus/PublicaEons ¡ CPU ¡intensive ¡workload ¡ q • Measure ¡workload ¡for ¡1 ¡ms, ¡then ¡scale ¡to ¡any ¡milliseconds ¡workload ¡ • Note: ¡need ¡to ¡tune ¡for ¡each ¡individual ¡machine ¡ 5 ¡

3. ¡Scheduler ¡Setup ¡– ¡Basic ¡ ¡ Ø ParEEoned ¡run ¡queue, ¡holds ¡pending ¡jobs ¡ hTp://oreilly.com/catalog/linuxkernel/chapter/ch10.html ¡ ¡ Ø Two ¡classes, ¡would ¡always ¡schedule ¡RT ¡class ¡first ¡ RT ¡class: ¡staEc ¡priority, ¡1 ¡(lowest) ¡to ¡99 ¡(highest) ¡ q • SCHED_FIFO, ¡SCHED_RR ¡ • Can ¡be ¡used ¡to ¡implement ¡staEc ¡priority ¡(like ¡rate ¡monotonic) ¡ • SCHED_DEADLINE ¡since ¡Linux ¡3.14 ¡ • Reserve ¡5% ¡for ¡other ¡classes ¡ /proc/sys/kernel/sched_rt_period_us ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1000000 ¡ § /proc/sys/kernel/sched_rt_runEme_us ¡ ¡ ¡ ¡950000 ¡ § Non-­‑RT ¡class: ¡SCHED_OTHER ¡with ¡Complete ¡Fair ¡Scheduler ¡ q 6 ¡

3. ¡Scheduler ¡Setup ¡– ¡Preemptive ¡ ¡ Ø Scheduler ¡is ¡triggered ¡every ¡HZ ¡quantum ¡ Ø cat ¡/boot/config-­‑* ¡| ¡grep ¡CONFIG_HZ ¡ For ¡most ¡desktops, ¡value ¡is ¡1000. ¡Ecked ¡every ¡1ms ¡ q For ¡arm ¡processors, ¡value ¡is ¡usually ¡100. ¡Ecked ¡every ¡10 ¡ms ¡ q Ø CONFIG_NO_HZ ¡= ¡y ¡ ¡ Ø CONFIG_HIGH_RES_TIMERS ¡= ¡y ¡ hTp://elinux.org/High_ResoluEon_Timers ¡ ¡ Ø Can ¡recompile ¡kernel ¡to ¡change ¡these ¡values ¡ 7 ¡

3. ¡Scheduler ¡Setup ¡– ¡Priorities ¡ ¡ ¡ Ø chrt ¡command ¡(can ¡also ¡check ¡task ¡prioriEes) ¡[link] ¡ sudo ¡chrt ¡–f ¡–p ¡99 ¡4800 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡# ¡pid ¡4800 ¡with ¡priority ¡99 ¡and ¡fifo ¡ q Ø sched_scheduler ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡[link] ¡ ¡ ¡ #include <sched.h> int main() { … struct sched_param sched; sched.sched_priority = 99; if (sched_setscheduler(getpid(), SCHED_FIFO, &sched) < 0) { exit(EXIT_FAILURE); } … } 8 ¡

3. ¡Scheduler ¡Setup ¡– ¡AfJinities ¡ Ø taskset ¡command ¡(can ¡also ¡check ¡task ¡affiniEes) ¡ ¡[link] ¡ sudo ¡taskset ¡-­‑c ¡2,3 ¡4800 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡# ¡pid ¡4800 ¡runs ¡on ¡cores ¡2-­‑3 ¡ q Ø sched_setaffinity ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡[link] ¡ #include <sched.h> int main() { … unsigned long mask = 1; if (sched_setaffinity(getpid(), sizeof(mask), &mask) < 0) { exit(EXIT_FAILURE); } … } 9 ¡

4. ¡Measure ¡Deadline ¡Miss ¡ Ø geymeofday() ¡ ¡ ¡[link] ¡ return ¡struct ¡Emeval, ¡includes ¡tv_sec ¡and ¡tv_usec ¡ q not ¡ok ¡for ¡measuring ¡overhead ¡on ¡standard ¡kernel ¡configuraEon ¡ q Ø rdtsc ¡ ¡ ¡ ¡[link] ¡ read ¡CPU ¡cycles ¡directly ¡(need ¡to ¡fix ¡CPU ¡frequency) ¡ q cat ¡/proc/cpuinfo ¡to ¡get ¡CPU ¡frequency ¡ q on ¡a ¡3.33GHZ ¡CPU, ¡Ecks ¡3,330,000,000 ¡Emes ¡per ¡second ¡ q • 3 ¡Eck ¡equals ¡1ns ¡ • if ¡you ¡use ¡rdtsc ¡to ¡record ¡Eme, ¡pay ¡aTenEon ¡to ¡this ¡value ¡ • cat ¡/proc/cpuinfo ¡ ¡ ¡ ¡ ¡# ¡get ¡CPU ¡frequency ¡ • cat ¡/sys/devices/system/clocksource/clocksource0 ¡# ¡get ¡current ¡clock ¡ 10 ¡

Demo ¡ Ø /proc/cpuinfo ¡ Ø /proc/sys/kernel/sched_rt_* ¡ Ø /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/ ¡ Ø /sys/devices/system/cpu/cpufreq ¡ Ø /sys/devices/system/cpu/cache/ ¡ Ø /boot/config* ¡ Ø /dev/shm ¡ Ø Compile ¡demo ¡task ¡(g++ ¡period_task.c ¡-­‑lrt) ¡ 11 ¡

Raspberry ¡Pi ¡ Ø ARM ¡based ¡Linux ¡box ¡ ¡ Ø Model ¡B ¡($35) ¡ 700 ¡MHz, ¡single ¡core ¡ q 512 ¡MB ¡RAM ¡ q 12 ¡

Raspberry ¡Pi ¡– ¡CPU ¡ ¡ Ø cat ¡/proc/cpuinfo ¡ ARMv6 ¡compaEble ¡processor ¡rev ¡7 ¡(v61) ¡ q Ø ls ¡/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/ ¡ cur, ¡max, ¡min ¡freq ¡ q scaling_governor ¡ q Ø uname ¡–a ¡ Linux ¡raspberrypi ¡3.6.11+ ¡#371 ¡PREEMPT ¡Thu ¡Feb ¡7 ¡16:31:35 ¡GMT ¡ q 2013 ¡armv6l ¡GNU/Linux ¡ Linux ¡Preempt-­‑RT ¡patch: ¡hTps://rt.wiki.kernel.org ¡ q • Minimize ¡scheduling ¡latency ¡ 13 ¡

Raspberry ¡Pi ¡– ¡Clock ¡ Ø /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/ available_clocksource ¡ stc, ¡sodware ¡simulated ¡clock, ¡Ecked ¡every ¡1 ¡microseconds ¡ q Ø cat ¡/proc/config.gz ¡| ¡gzip ¡–d ¡| ¡grep ¡HZ ¡ CONFIG_NO_HZ ¡= ¡y ¡ ¡ ¡ ¡ ¡# ¡when ¡idle, ¡Eckles ¡to ¡save ¡energy ¡ q CONFIG_HZ ¡= ¡100 ¡# ¡Eck ¡every ¡10 ¡ms ¡ q 14 ¡

Raspberry ¡Pi ¡– ¡Summary ¡ Ø Single ¡core ¡processor: ¡no ¡need ¡to ¡set ¡cpu_masks ¡ Ø Fixed ¡frequency: ¡no ¡need ¡to ¡change ¡frequency ¡governor ¡ Ø No ¡rdtsc ¡ Need ¡to ¡record ¡Eme ¡using ¡other ¡funcEons ¡calls ¡like ¡geymeofday, ¡ q clock_geyme(), ¡etc ¡ Minimum ¡Eme ¡resoluEon ¡provided ¡is ¡1 ¡microseconds ¡via ¡stc ¡ q Default ¡scheduling ¡Eck ¡is ¡10 ¡ms ¡(compared ¡to ¡1 ¡ms ¡on ¡Desktop) ¡ q Ø Comes ¡with ¡Preempt-­‑RT ¡patch ¡by ¡default ¡ Less ¡scheduling ¡latency, ¡more ¡responsive ¡to ¡I/O ¡tasks ¡ q 15 ¡

Demo ¡ ¡ Ø /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/ available_clocksource ¡ Ø /proc/config.gz ¡| ¡gzip ¡–d ¡| ¡grep ¡HZ ¡ Ø /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/ ¡ Ø /proc/cpuinfo ¡ Ø uname ¡–a ¡ Ø Compile ¡demo ¡task ¡ ¡ No ¡rdtsc, ¡need ¡to ¡replace ¡with ¡geymeofday() ¡ q 16 ¡

Note: ¡Be ¡careful ¡with ¡serial ¡cable! ¡ 17 ¡