如何选择Linux操作系统实时扩展
ethercat是一种由beckhoff开发的开放实时以太网技术，广泛用于对精度和实时性要求较高的运动控制设备和采集设备中。
由于我们处于特殊的位置，使我们在推广ethercat主站协议栈的过程中，我们经常会围绕实时linux系统与客户展开讨论。根据ethercat主站提供商acontis公司对全球新客户统计，选择实时linux系统的客户比重在过去10年逐年增加。2019年新客户中采用实时linux作为控制器操作系统已超过60%。
从近几年的经验中，对于实时linux系统主要聚焦在采用rt-preempt 还是xenomai的争论上。结合实时linux系统专家jan altenberg在embedded linux会议上的讲演。整理出此文，希望可以在rt-preempt 和xenomai之间选择做出参考。
实时性
在和客户的交流过程，部分工程师会把实时性与执行速度或性能相混淆。altenberg在讲演中强调：实时性与执行速度和性能无关！
实时性的含义不是越快越好，而是在规定的时间内完成任务的确定性（determinismand timing guarantees）。
在技术讨论中，同样客户对ethercat协议不存在错误数据自动重传机制有类似疑问。
ethercat主站的工作原理是按循环周期发送数据。所以ethercat在协议层面不会自动在后续周期重新发送失败的过程数据。
在embedded linux会议讲演中，altenberg还表述了一个有趣的观点，他希望大家忘掉“软实时”即softrealtime 的提法，只存在实时和非实时的、确定性和非确定性的区别。能保证确定性，那就是“硬实时” hardrealtime。
xenomai和preempt rt
目前，对实时linux方案的选择集中在xenomai和preempt rt之间。xenomai是在linuxkernel外增加独立内核的双内核方案，而preempt rt是标准的单内核实时方案。
图1是xenomai为代表的双内核方案的原理图：
图1 xenomai原理图
altenberg认为双内核实时方案有几个明显不足。首先，维护工作量大。其次，xenomai不能使用标准c库，实时应用的开发需要特殊库以及单独的api。
主流的实时linux方案是基于preempt rt 的单内核方案，通过最大限度地提高linux内核中的可抢占部分，使linux本身具备实时性。如图2 premept rt原理图所示：
图2 preempt rt原理图
大约80%的preemptrt功能已经融合进linux主线，所以任何linux开发者都可以使用preempt rt的linux 内核组件。
随着剩下的20%功能逐渐融入linux主线，未来有可能不需要在linux安装补丁程序而直接使用preempt rt。
性能比较
实时性能最重要的指标是延时。网上有不少文章，表示xenomai在延迟方面有优势。altenberg并不认同这种观点，他认为是对preempt rt的错误配置造成的。
为了证实，他们的团队分别找xenomai和preempt rt专家，在相同的硬件上进行测试。测试对象是高负载下xenomai和preempt rt在延时latency和抖动jitter的表现整个测试程序运行12个小时。
altenberg强调了两点，第一是测试的最坏结果才有意义；另外一点是系统拿到中断后，在用户空间的应用响应延时是对应用最有意义的。
在用户空间的测试结果，在测试中的最坏延时，xenomai和 preempt rt都在90-95 微秒左右。当在linux系统中只使用单核测试时，preempt rt最坏的延时只有大约80微秒，结果优于xenomai。
在kernel空间延时的测试结果，xenomai最高延时在30微秒，单核运行preempt rt的最高延时60微秒。如果使用fiq 快速中断的话，preempt rt的最坏延时也达到30微秒，平均延时甚至到达10微秒。
最终，对于开发人员最有意义的用户空间内最坏延时方面，两种实时方案在该性能指标上展示出近乎相同的数据。
但是preempt rt几乎已经和linux内核主线合并，从系统的开发和维护角度，preempt rt的工作量与标准linux相同。这使preempt rt与xenomai相比具备更多优势。
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从近几年的经验中，对于实时linux系统主要聚焦在采用rt-preempt 还是xenomai的争论上。结合实时linux系统专家jan altenberg在embedded linux会议上的讲演。整理出此文，希望可以在rt-preempt 和xenomai之间选择做出参考。
实时性
在和客户的交流过程，部分工程师会把实时性与执行速度或性能相混淆。altenberg在讲演中强调：实时性与执行速度和性能无关！
实时性的含义不是越快越好，而是在规定的时间内完成任务的确定性（determinismand timing guarantees）。
在技术讨论中，同样客户对ethercat协议不存在错误数据自动重传机制有类似疑问。
ethercat主站的工作原理是按循环周期发送数据。所以ethercat在协议层面不会自动在后续周期重新发送失败的过程数据。
在embedded linux会议讲演中，altenberg还表述了一个有趣的观点，他希望大家忘掉“软实时”即softrealtime 的提法，只存在实时和非实时的、确定性和非确定性的区别。能保证确定性，那就是“硬实时” hardrealtime。
xenomai和preempt rt
目前，对实时linux方案的选择集中在xenomai和preempt rt之间。xenomai是在linuxkernel外增加独立内核的双内核方案，而preempt rt是标准的单内核实时方案。
图1是xenomai为代表的双内核方案的原理图：
图1 xenomai原理图
altenberg认为双内核实时方案有几个明显不足。首先，维护工作量大。其次，xenomai不能使用标准c库，实时应用的开发需要特殊库以及单独的api。
主流的实时linux方案是基于preempt rt 的单内核方案，通过最大限度地提高linux内核中的可抢占部分，使linux本身具备实时性。如图2 premept rt原理图所示：
图2 preempt rt原理图
大约80%的preemptrt功能已经融合进linux主线，所以任何linux开发者都可以使用preempt rt的linux 内核组件。
随着剩下的20%功能逐渐融入linux主线，未来有可能不需要在linux安装补丁程序而直接使用preempt rt。
性能比较
实时性能最重要的指标是延时。网上有不少文章，表示xenomai在延迟方面有优势。altenberg并不认同这种观点，他认为是对preempt rt的错误配置造成的。
为了证实，他们的团队分别找xenomai和preempt rt专家，在相同的硬件上进行测试。测试对象是高负载下xenomai和preempt rt在延时latency和抖动jitter的表现整个测试程序运行12个小时。
altenberg强调了两点，第一是测试的最坏结果才有意义；另外一点是系统拿到中断后，在用户空间的应用响应延时是对应用最有意义的。
在用户空间的测试结果，在测试中的最坏延时，xenomai和 preempt rt都在90-95 微秒左右。当在linux系统中只使用单核测试时，preempt rt最坏的延时只有大约80微秒，结果优于xenomai。
在kernel空间延时的测试结果，xenomai最高延时在30微秒，单核运行preempt rt的最高延时60微秒。如果使用fiq 快速中断的话，preempt rt的最坏延时也达到30微秒，平均延时甚至到达10微秒。
最终，对于开发人员最有意义的用户空间内最坏延时方面，两种实时方案在该性能指标上展示出近乎相同的数据。
但是preempt rt几乎已经和linux内核主线合并，从系统的开发和维护角度，preempt rt的工作量与标准linux相同。这使preempt rt与xenomai相比具备更多优势。
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