Esempi di Programmazione RTAI

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1 Esempi di Programmazione RTAI

2 Programmazione in RTAI Approccio RTAI: Uno schedulatore Real Time rimpiazza lo schedulatore di Linux Intercetta gli interrupt (time e dispositivi) Esegue il codice di servizio degli interrupt in tempo reale Esegue Linux nel tempo rimanente (background) Task in tempo reale: moduli di kernel non codice Linux ogni errore provoca un crash del kernel non hanno accesso a funzioni di I/O (terminale, disco ) necessità di una comunicazione kernel/utente per I/O I MODULI DEL KERNEL SONO CARICATI DINAMICAMENTE!! insmod rmmod

3 Programmazione in RTAI Codifica in C Ogni modulo del kernel ha un entry point (init_module) e un exit point (cleanup_module) In definitiva: la struttura utilizza 3 parti principali scritte dall utente 1. Funzione che inizializza il sistema, definisce le caratteristiche dei vari task e IPC 2. Definizione della funzione real time 3. Funzione che rilascia le risorse

4 Programmazione in RTAI Primo esempio: #include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h> MODULE_LICENSE("GPL"); int init_module(void) //entry point printk("hello world!\n"); // printk = scrive in /var/log/messages return 0; void cleanup_module(void)//exit point printk("goodbye world!\n"); return;

5 Programmazione in RTAI Compilazione sorgenti: usare il Makefile del kernel make f Makefile C <kernel path> M=$PWD Genera il file <modulo.ko> Nel nostro caso: EXTRA_CFLAGS += -I/usr/realtime/include -D_IN_RTAI_ obj-m += prog1.o all: make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules clean: make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean Per eseguire il modulo: insmod <modulo.ko> Per terminare : rmmod <modulo.ko>

6 Programmazione in RTAI Attenzione (1): printk scrive nel kernel ring buffer Il buffer viene scritto periodicamente sul file di log /var/log/messages Attenzione (2): printk può non essere predicibile: rt_printk versione RT Scrive sul kernel Ring buffer. Per leggere/cancellare il buffer: chiamate di sistema: syslog, klogctl - read and/or clear kernel message ring buffer; set console_loglevel comandi Linux $tkadmin dump ringbuffer ringbuffer.out In definitiva: dmesg c insmod hello.ko dmesg rmmod hello.ko dmesg Oppure: tail -f /var/log/messages

7 Programmazione in RTAI Definizione di un task (thread in tempo reale): int rt_task_init(rt_task *task, void(*rt_thread)(int), int data, int stack_size, int priority, int uso_fpu, void(*signal)(void)); Attenzione: definisce il task, non l esegue! Il task si trova nello stato SUSPENDED Argomenti della funzione: Primo argomento: descrittore del task Secondo argomento: entry point della funzione Terzo argomento: un intero passato dal genitore al thread Quarto argomento: dimensione dello stack Quinto argomento: priorità. Da rtai_sched.h: #define RT_SCHED_HIGHEST_PRIORITY 0 #define RT_SCHED_LOWEST_PRIORITY 0x3fffFfff #define RT_SCHED_LINUX_PRIORITY 0x7fffFfff Sesto argomento: flag per l uso della fpu Settimo argomento: funzione per gestire il segnale inviato ogni volta che il thread diventa running

8 Programmazione in RTAI Schedulazione in RTAI: periodica aperiodica (one-shot) Modalità di funzionamento: void rt_set_oneshot_mode(void);//imposta lo schedulatore I task possono essere eseguiti in istanti qualsiasi void rt_set_periodic_mode(void); );//imposta lo schedulatore Ogni richiesta non multiplo del periodo viene soddisfatta nel periodo di base del timer più vicino. È il default. La schedulazione è associata al timer: RTIME start_rt_timer(int period);//se aperiodic il periodo è ignorato RTIME rt_get_time();//ticks se periodico, TSC se aperiodico void stop_rt_timer(void); Esempio: rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); RTIME Internal count units; // misura il tempo trascorso in ticks Tempi: 1 tick=838 ns (timer del PC) Inoltre: Time Stamp Clock (TSC): clock del PC

9 Programmazione in RTAI Attivazione timer: periodico void rt_set_periodic_mode(void); RTIME start_rt_timer(rtime period); one-shot void rt_set_oneshot_mode(void); RTIME start_rt_timer(rtime period); La funzione RTIME nano2counts(int nanoseconds); converte da ns a ticks

10 Programmazione in RTAI Esecuzione di un task in tempo reale: due modalità Rende un processo RTAI periodico ed avvia la prima esecuzione all istante <start_time>: int rt_task_make_periodic(rt_task *task, RTIME start_time, RTIME period); Task aperiodico (one shot): esecuzione immediata int rt_task_resume(rt_task *task); esecuzione ad un istante assoluto start_time int rt_task_make_periodic(rt_task *task, RTIME start_time, RTIME period); //period non usato esecuzione ad un istante relativo start_delay int rt_task_make_periodic_relative_ns (RT_TASK *task, RTIME start_delay, RTIME period);

11 Programmazione in RTAI In definitiva per creare un task aperiodico: rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); retval =rt_task_init(&task, function, 0, 1024, RT_SCHED_LOWEST_PRIORITY, 0, 0); retval = rt_task_resume(&task); Gestione della schedulazione: Nel caso di task periodico int rt_task_wait_period(void); sospende l esecuzione del thread corrente fino al prossimo periodo Nel caso di task aperiodico int rt_task_yield(void); int rt_task_suspend(rt_task *task); task_yield Fa assumere al processo chiamante lo stato READY task_suspend sospende l esecuzione, che verrà ripresa con resume o con make_periodic Programma d esempio: crea un task aperiodico

12 #include <linux/kernel.h> /* dichiarazioni richieste dai moduli del kernel */ #include <linux/module.h> /* dichiarazioni richieste dai moduli del kernel */ #include <linux/version.h> #include <linux/errno.h> /* EINVAL, ENOMEM */ #include "rtai.h" #include "rtai_sched.h" #include <rtai_sem.h> MODULE_LICENSE("GPL"); static RT_TASK print_task; void print_function(long arg) rt_printk("hello world!\n"); return; int init_module(void) int retval; rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); //parte l esecuzione retval = /* crea il tread real time */ rt_task_init(&print_task, print_function, 0, 1024, RT_SCHED_LOWEST_PRIORITY, 0, 0); if ( retval!= 0) if (-EINVAL == retval) printk("task: task structure is invalid\n"); else printk("task: error starting task\n"); return retval; retval = rt_task_resume(&print_task); /* punta alla nostra struttura */ if (0!= retval) if (-EINVAL == retval) printk("struttura task invalida\n"); else printk("task: error starting task\n"); return retval; return 0; void cleanup_module(void) return;

13 Programmazione in RTAI Funzioni di utilità per la schedulazione: void rt_sleep(rtime delay); void rt_sleep_until(rtime time); sospendono il thread in esecuzione e lo mettono in stato DELAYED void rt_busy_sleep(int nanosecs); addormenta in thread mandando in loop la CPU per il tempo indicato void rt_sched_lock(void); void rt_sched_unlock(void); blocca/sblocca lo schedulatore pe evitare corse critiche int rt_get_prio(rt_task *task); int rt_change_prio(rt_task *task, int priority; determina/setta la priorità di base int rt_get_inher_prio(rt_task *task); Determina la priorità ereditata a causa dell accesso a risorse condivise (protocolli priority inheritance)

14 Programmazione in RTAI Altre funzioni di utilità per la schedulazione: int rt_get_task_state(rt_task *task); RT_TASK *rt_whoami(void); int rt_task_use_fpu(rt_task *task, int use_fpu_flag); int rt_task_delete(rt_task *task); rimuove is task dal sistema

15 Programmazione in RTAI: Schedulazione periodica Non c è particolare limite al numero di task I task sono thread: condividono lo spazio di indirizzamento!! Attenzione alla mutua esclusione Dobbiamo determinare il periodo di base. Il periodo dei thread è un multiplo del periodo di base Programma d esempio: setto il timer a 1 ms definisco la funzione schedulazione

16 #include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h> #include <linux/version.h> #include <linux/sched.h> #include <linux/errno.h> #include <asm/io.h> #include "rtai.h" #include "rtai_sched.h" MODULE_LICENSE("GPL"); static RT_TASK sound_task; static RT_TASK delay_task; static RTIME sound_period_ns = 1e5; /* in nanoseconds, -> 10 khz */ static RTIME delay_period_ns = 1e9; /* in nanoseconds, -> 1 Hz */ #define SOUND_PORT 0x61 /* indrizzo altoparlante */ #define SOUND_MASK 0x02 /* bit da cambiare */ static int delay_count = 2; // condivisa tra i due threa: onda quadra per altoparlante int init_module(void) RTIME sound_period_count, delay_period_count, timer_period_count; int retval; rt_set_periodic_mode(); sound_period_count = nano2count(sound_period_ns); delay_period_count = nano2count(delay_period_ns); timer_period_count = start_rt_timer(sound_period_count); printk("sound task: requested %d counts, got %d counts\n",(int) sound_period_count, (int) timer_period_count); retval = //struttura del thread sound rt_task_init(&sound_task, sound_function, 0, 1024, RT_LOWEST_PRIORITY - 1, 0, 0); if (0!= retval) if (-EINVAL == retval) printk("sound task: task structure already in use\n"); else if (-ENOMEM == retval) printk("sound task: can't allocate stack\n"); else printk("sound task: error initializing task structure\n"); return retval;

17 retval = //struttura del thread delay rt_task_init(&delay_task, delay_function, 0, 1024, RT_LOWEST_PRIORITY, 0, 0); if (0!= retval) if (-EINVAL == retval) printk( errore: gia in uso\n"); else if (-ENOMEM == retval) printk( errore di stack\n"); else printk( error di inizializzazione\n"); return retval; retval = //esegue il thread sund rt_task_make_periodic(&sound_task, rt_get_time() + sound_period_count, sound_period_count); if (0!= retval) if (-EINVAL == retval) printk("sound errore\n"); else printk("sound errore task\n"); return retval; retval = //esegue il thread delay rt_task_make_periodic(&delay_task, rt_get_time() + delay_period_count, delay_period_count); if (0!= retval) if (-EINVAL == retval) printk( errore delay \n"); else printk("delay task: error starting task\n"); return retval; return 0; /* success! */

18 void sound_function(int arg) int delay_left = delay_count; /* decrementato ad ogni ciclo */ unsigned char sound_byte, toggle = 0; while (1) if (delay_left > 0) //ritardo restante? delay_left--; else sound_byte = inb(sound_port); if (toggle) sound_byte = sound_byte SOUND_MASK; else sound_byte = sound_byte & ~SOUND_MASK; outb(sound_byte, SOUND_PORT); toggle =! toggle; delay_left = delay_count; rt_task_wait_period(); /* ricarico il ritardo*/ /* non arriviamo mai qui */ return; void delay_function(int arg) while (1) delay_count++; rt_task_wait_period(); /* non arriviamo mai qui */ return;

19 void cleanup_module(void) int retval; retval = rt_task_delete(&sound_task); if (0!= retval) if (-EINVAL == retval) /* invalid task structure */ printk("sound task: task structure is invalid\n"); else printk("sound task: error stopping task\n"); retval = rt_task_delete(&delay_task); if (0!= retval) if (-EINVAL == retval) /* invalid task structure */ printk("delay task: task structure is invalid\n"); else printk("delay task: error stopping task\n"); outb(inb(sound_port) & ~SOUND_MASK, SOUND_PORT); //toggle il bit return;

20 Programmazione in RTAI Politiche di schedulazione RTAI offre la possibilità di usare le seguenti politiche: FIFO (default), Round Robin. Abilitazione delle politiche: void rt_set_sched_policy(struct rt_task_struct *task, int policy, int rr_quantum_ns); Politiche: RT_SCHED_RR - RT_SCHED_FIFO Esempio: 3 task: appena creati sono bloccati da un semaforo che viene aperto appena possono continuare. Ogni task esegue per EXECTIME unità temporali, realizzato come segue: starttime = rt_get_cpu_time_ns(); while(rt_get_cpu_time_ns() < (starttime + EXECTIME)); Vene contato il numero di context switch mediante un semaforo

21 Programmazione in RTAI In definitiva, la sched. FIFO si realizza con queste istruzioni: void func1(); void func2(); int init_module() rt_set_periodic_mode(); rt_task_init(&t1,func1, ); rt_task_init(&t2,func2, ); rt_task_make_periodic(&t1,start1,periodo1); rt_task_make_periodic(&t2,start1,periodo2); NB: FIFO può essere facilmente anche RM

22 #include <linux/kernel.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h> #include <rtai.h> #include <rtai_sched.h> #include <rtai_sem.h> MODULE_LICENSE("GPL"); #define STACK_SIZE 2000 #define EXECTIME #define RR_QUANTUM #define NTASKS 3 #define PRIORITY 100 static SEM sync, RT_TASK tasks[ntasks], int switchescount[ntasks]; static void fun(long indx) //funzione eseguita dai task RTIME starttime, endtime;; rt_printk("resume task #%d (%p) on CPU %d.\n", indx, &tasks[indx], hard_cpu_id()); rt_sem_wait(&sync); rt_printk("task #%d (%p) inizia on CPU %d.\n", indx, &tasks[indx], hard_cpu_id()); starttime = rt_get_cpu_time_ns(); //esegue per EXECTIME while(rt_get_cpu_time_ns() < (starttime + EXECTIME)); endtime = rt_get_cpu_time_ns()-starttime; //segnala il nr di context switch tasks[indx].signal = 0; rt_printk("task #%d (%p) terminates after %d.\n", indx, &tasks[indx],endtime); static void signal(void) //esegue quando c e un context switch RT_TASK *task; int i; for (i = 0; i < NTASKS; i++) if ((task = rt_whoami()) == &tasks[i]) switchescount[i]++; rt_printk("switch al task #%d (%p) on CPU %d.\n", i, task, hard_cpu_id()); break;

23 int init_module(void) int i; printk("insmod on CPU %d.\n", hard_cpu_id()); rt_sem_init(&sync, 0); rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); for (i = 0; i < NTASKS; i++) rt_task_init(&tasks[i], fun, i, STACK_SIZE, PRIORITY, 0, signal); for (i = 0; i < NTASKS; i++) rt_task_resume(&tasks[i]); rt_sem_broadcast(&sync); return 0; void cleanup_module(void) int i; stop_rt_timer(); rt_sem_delete(&sync); for (i = 0; i < NTASKS; i++) printk("nr di context switches task # %d -> %d\n", i, switchescount[i]); rt_task_delete(&tasks[i]);

24 Programmazione in RTAI Schedulazione prioritaria: I thread hanno una priorità tra 0 (RT_SCHED_HIGHEST_PRIORITY) e 1,073,741,823 (RT_SCHED_LOWEST_PRIORITY ) Quando si crea un task con rt_task_init(..) uno degli argomenti è la priorità Dopo che viene eseguito un task può variare priorità con int rt_change_prio( RT_TASK *task, intpriority) ; La politica prioritaria è RT_SCHED_FIFO Esempio: creazione di 3 task a diverse priorità. Provae a cambiare le priorità

25 #include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h> #include <rtai.h> #include <rtai_sched.h> #include <rtai_sem.h> MODULE_LICENSE("GPL"); #define STACK_SIZE 2000 #define EXECTIME #define RR_QUANTUM #define NTASKS 3 #define HIGH 100 #define MID 101 #define LOW 102 static SEM sync, RT_TASK tasks[ntasks], int switchescount[ntasks]; static void fun(long indx) RTIME starttime, endtime; rt_printk("resume task #%d (%p) on CPU %d.\n", indx, &tasks[indx], hard_cpu_id()); rt_sem_wait(&sync); rt_printk("task #%d (%p) inizia su CPU %d.\n", indx, &tasks[indx], hard_cpu_id()); starttime = rt_get_cpu_time_ns(); //esegue per EXECTIME while(rt_get_cpu_time_ns() < (starttime + EXECTIME)); endtime = rt_get_cpu_time_ns()-starttime; tasks[indx].signal = 0; rt_printk("task #%d (%p) terminates after %d.\n", indx, &tasks[indx],endtime);

26 static void signal(void) //per segnalare il nr di context switches RT_TASK *task; int i; for (i = 0; i < NTASKS; i++) if ((task = rt_whoami()) == &tasks[i]) switchescount[i]++; rt_printk( passa a #%d (%p) su %d.\n", i, task, hard_cpu_id()); break; int init_module(void) int i; printk("insmod on CPU %d.\n", hard_cpu_id()); rt_sem_init(&sync, 0); rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); rt_task_init(&tasks[0], fun, 0, STACK_SIZE, LOW, 0, signal); rt_task_init(&tasks[1], fun, 1, STACK_SIZE, MID, 0, signal); rt_task_init(&tasks[2], fun, 2, STACK_SIZE, HIGH, 0, signal); for (i = 0; i < NTASKS; i++) rt_task_resume(&tasks[i]); while(!(rt_get_task_state(&tasks[i]) & RT_SCHED_SEMAPHORE)); rt_sem_broadcast(&sync); return 0; void cleanup_module(void) int i; stop_rt_timer(); rt_sem_delete(&sync); for (i = 0; i < NTASKS; i++) printk("number of context switches task # %d -> %d\n", i, switchescount[i]); rt_task_delete(&tasks[i]);

27 Programmazione in RTAI Schedulazione RateMonotonic (RM)

28 #include <linux/kernel.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/module.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/version.h> /* LINUX_VERSION_CODE, KERNEL_VERSION() */ #include <linux/errno.h> /* EINVAL, ENOMEM */ #include "rtai.h" #include "rtai_sched.h" #include <rtai_sem.h> MODULE_LICENSE("GPL"); #define NTASKS 3 #define STACK_SIZE static RT_TASK tasks[ntasks]; static int task_arg[ntasks]; #define BASE_PERIOD_NS static RTIME base_period; // in internal units static RTIME base_period_us; // in microseconds static RTIME base_period_ns; // in nanoseconds static int task_computation_time[ntasks] = 30, 20, 20 ; //timer periodici static int task_period[ntasks] = 60, 90, 110 ; static int task_priority[ntasks] = 10, 20, 30 ; static int ggd=1980; // 6*9*11/3 RTIME resumetime[ntasks], deadlinetime[ntasks]; int nodeadlinemiss=1; static SEM sync; static RTIME tasks_starttime=0; static int switchescount[ntasks]; #define CALIBRATION_PERCENTAGE 100 //parametro per l attesa attiva #define CALIBRATION_LOOP_SIZE 1e7 //più alto (non troppo) più accurato static RT_TASK init_task_str; static RTIME count_need_for_one_ms_busysleep; static int task_period_counter[ntasks] = 0, 0, 0 ; inline RTIME loop(rtime count) //esegue un loop da 0 a count unsigned long int i; // ritorna il tempo in ns per eseguire un loop RTIME starttime, sleeptime_ns; starttime = rt_get_time_ns(); for (i = 0; i < count ; i++) sleeptime_ns=rt_get_time_ns()-starttime; return sleeptime_ns;

29 /* function to callibrate busysleep function */ void calibrate_busysleep(void) RTIME sleeptime_ns; RTIME x; volatile RTIME loop_size=calibration_loop_size; // loop with global CALIBRATION_LOOP_SIZE sleeptime_ns=loop(loop_size); rt_printk("sleeptime_ns=%lld\n",sleeptime_ns); // // sleeptime_in_us = sleeptime_ns/1000 // count_need_for_one_us_busysleep=calibration_loop_size/sleeptime_in_us; // -> somma fattore di calibrazione : // sleeptime_in_us -> sleeptime_in_us * calibrationpercentage/100 // -> in definitiva // counterbusysleepns= calibration_loop_size*10*calibrationpercentage/sleeptime_ns x=calibration_loop_size*10*calibration_percentage*1000; do_div(x,sleeptime_ns); // fattore di calibrazione ttale count_need_for_one_ms_busysleep=x;

30 //tiene il processore occuato per sleeptime_us, ritorna il tempo passato RTIME busysleep(rtime sleeptime_us ) RTIME temp; RTIME sleeptime_ns; RTIME sleep_count; sleep_count= count_need_for_one_ms_busysleep*sleeptime_us; do_div(sleep_count,1000); sleeptime_ns=loop(sleep_count); return sleeptime_ns; // calibrazione della attesa attiva rt_printk(" init task started\n",arg); calibrate_busysleep(); rt_printk("count_need_for_one_ms_busysleep=%lld\n", count_need_for_one_ms_busysleep); rt_printk(" init task ended\n",arg); return; // time_in_base_periods=(rt_get_time()-starttime )/base_period // -> integer part : RTIME time_int(rtime temp) do_div(temp,base_period); return temp; // -> first two digits : RTIME time_digits(rtime temp) RTIME rest; rest=do_div(temp,base_period); temp=rest*100; do_div(temp,base_period); return temp;

31 RTIME get_time() //calcola il tempo di esecuzione RTIME temp; temp=rt_get_time()-tasks_starttime; return temp; void print_info(int currenttask,char *msg) RTIME now=get_time(); rt_printk("t%d %s - time %3lld.%02lld - computation %3d - period %3d - interval %d-%d \n",currenttask, msg, time_int(now),time_digits(now), task_computation_time[currenttask], task_period[currenttask], task_period_counter[currenttask]*task_period[currenttask], (task_period_counter[currenttask]+1)*task_period[currenttask]); void dummy_task(long t) /calibrazione RTIME cur_task_sleeptime_ns, cur_task_sleeptime_us, base_periods_passed, cur_task_period; cur_task_period=task_period[t]*base_period; cur_task_sleeptime_us=base_period_us*task_computation_time[t]; task_period_counter[t]=0; base_periods_passed=0; if (!tasks_starttime) tasks_starttime=rt_get_time(); while( time_int(get_time()) < ggd && nodeadlinemiss ) resumetime[t]=tasks_starttime + (task_period_counter[t]*cur_task_period); deadlinetime[t]=resumetime[t]+cur_task_period; print_info(t,"start "); cur_task_sleeptime_ns=busysleep(cur_task_sleeptime_us); if ( rt_get_time() >= deadlinetime[t] + base_period ) rt_printk("\n\n\n"); rt_printk(" TASK %d missed deadline %d", t, (task_period_counter[t]+1)*task_period[t] ); rt_printk("\n\n\n"); nodeadlinemiss=0; print_info(t,"stop "); rt_task_wait_period(); task_period_counter[t]++; print_info(t,"ended ");if (nodeadlinemiss) rt_printk("\n\n SCHEDULABILE\n\n ", t); return;

32 int init_module(void) //parte il task con chedulaione specifica int i; RTIME temp,starttime; printk( inizia init_module\n"); printk("insmod on CPU %d.\n", hard_cpu_id()); rt_sem_init(&sync, 0); rt_set_periodic_mode(); //configura il modo base_period = start_rt_timer(nano2count(base_period_ns)); rt_printk("base_period : %lld.\n\n",base_period); base_period_ns=count2nano(base_period); rt_printk("base_period_ns : %lld.\n\n",base_period_ns); temp=base_period_ns; do_div(temp,1000); base_period_us=temp; // base_period_us=count2nano(base_period)/1000; rt_printk("base_period_us : %lld.\n\n",base_period_us); rt_task_init(&init_task_str, init, 0, STACK_SIZE, 100, 0, 0); rt_task_resume(&init_task_str); for (i = 0; i < NTASKS; i++) task_arg[i]=i; // il task fittizio parte subito rt_task_init(&tasks[i], dummy_task, task_arg[i], STACK_SIZE, task_priority[i], 1, 0); starttime=rt_get_time() ; for (i = 0; i < NTASKS; i++) rt_task_make_periodic(&tasks[i], starttime,task_period[i]*base_period); printk("end of init_module\n"); return 0;

33 void cleanup_module(void) int i; stop_rt_timer(); rt_sem_delete(&sync); printk("\n\n"); for (i = 0; i < NTASKS; i++) rt_task_delete(&tasks[i]); rt_task_delete(&init_task_str);

34 Schedulazione EarliestDeadlineFirst (EDF) #include <linux/module.h> #include <asm/io.h> #include <asm/rtai.h> #include <rtai_sched.h> #define ONE_SHOT #define TICK_PERIOD #define STACK_SIZE 2000 #define LOOPS 3 #define NTASKS 8 static RT_TASK thread[ntasks]; static RTIME tick_period; static int cpu_used[nr_rt_cpus]; static void fun(long t) unsigned int loops = LOOPS; while(loops--) cpu_used[hard_cpu_id()]++; rt_printk("task %d with priority %d in loop %d \n", t, thread[t].priority,loops); rt_task_set_resume_end_times(-ntasks*tick_period, -(t + 1)*tick_period); rt_printk("task %d with priority %d ENDS\n", t, thread[t].priority);

35 EDF (cont.) int init_module(void) RTIME now; int i; #ifdef ONE_SHOT rt_set_oneshot_mode(); #endif for (i=0;i<ntasks;i++) rt_task_init(&thread[i],fun,i,stack_size,ntasks-i-1,0,0); tick_period = start_rt_timer(nano2count(tick_period)); now = rt_get_time() + NTASKS*tick_period; for (i = 0; i < NTASKS; i++) rt_task_make_periodic(&thread[ntasks - i - 1], now, NTASKS*tick_period); return 0; void cleanup_module(void) int i, cpuid; stop_rt_timer(); for (i = 0; i < NTASKS; i++) rt_task_delete(&thread[i]); printk("\n\ncpu USE SUMMARY\n"); for (cpuid = 0; cpuid < NR_RT_CPUS; cpuid++) printk("# %d -> %d\n", cpuid, cpu_used[cpuid]); printk("end OF CPU USE SUMMARY\n\n");

36 Programmazione in RTAI: IPC RTAI usa sistemi di IPC simili a Linux ma implementati separatamente: rt_fifo: scambio dati tra i thread in tempo reale, tra processi Linux, shared memory, tra thread in tempo reale e processi Linux mailbox semafori RPC

37 Programmazione in RTAI: IPC rt_fifo Per creare una rt_fifo: int rtf_create(unsigned int fifo, int size); Per dimensionare una rt_fifo: int rtf_resize(int fd, int size); Per creare/aprire una rt_fifo dallo spazio utente si usa file_descriptor = open("/dev/rtf0", O_RDONLY); Per creare/aprire una rt_fifo dallo spazio kernel si usa: int rtf_open_sized(const char *dev, int perm, int size); Le rt_fifo possono essere associate a dei command handler che vanno in esecuzione ogni volta che un processo nello spazio utente esegue una read() o una write() sulla fifo: int rtf_create_handler(unsigned int minor, int (*handler)(unsigned int fifo)););

38 Programmazione in RTAI: IPC rt_fifo: esempio d uso dei command handler int rtf_create_handler(fifo_numver, X_FIFO_HANDLER(x_handler); con, ad esempio, come x_handler: int x_handler(unsigned int fifo, int rw) if(rw== r ) //quello che bisogna fare in relazione ad una read else //quello che bisogna fare in relazione ad una write

39 Programmazione in RTAI: IPC rt_fifo: per evitare bloccaggi indeterminati int rtf_read_all_at_once(int fd, void *buf, int count); int rtf_read_timed(int fd, void *buf, int count, int ms_delay); int rtf_write_timed(int fd, void *buf, int count, int ms_delay); rt_fifo: uso dei semafori int rtf_sem_init(unsigned int fifo, int value); int rtf_sem_wait(unsigned int fifo); //solo dallo spazio utente int rtf_sem_trywait(unsigned int fifo); //solo dallo spazio utente...

40 Programmazione in RTAI: IPC Per accedere una rt_fifo Dal lato real time num_read = rtf_get(0, &buffer_in, sizeof(buffer_in)); num_written = rtf_put(1, &buffer_out, sizeof(buffer_out)); Dal lato Linux num_read = read(read_descriptor, &buffer_in, sizeof(buffer_in)); num_written = write(write_descriptor, &buffer_out,sizeof(buffer_out)); Letture bloccanti: Unix supporta sia lettura bloccanti che non In sistemi real time sono preferibili le letture non bloccanti: 'rtf_get()' ritorna immediatamente se non ci sono dati da leggere

41 //FIFO monodirezionali #include <linux/kernel.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/module.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/version.h> /* LINUX_VERSION_CODE, KERNEL_VERSION() */ #include <linux/errno.h> /* EINVAL, ENOMEM */ #include <rtai.h> #include <rtai_sched.h> #include <rtai_fifos.h> MODULE_LICENSE("GPL") ; static RT_TASK t1; static RT_TASK t2; void taskone(long arg); void tasktwo(long arg); #define MAX_MESSAGES 100 #define MAX_MESSAGE_LENGTH 50 void message(void) /* function to create the message queue and two tasks */ int retval; rtf_create (0,MAX_MESSAGES*MAX_MESSAGE_LENGTH); //crea una FIFO con numero 0 retval = rt_task_init(&t1,taskone, 0, 1024, 0, 0, 0); retval = rt_task_init(&t2,tasktwo, 0, 1024, 0, 0, 0); retval = rt_task_resume(&t1); //esegue i thread: attenzione all ordine retval = rt_task_resume(&t2);

42 void taskone(long arg) int retval; char message[] = "Received message from taskone"; rt_printk("taskone starts sending message\n"); retval = rtf_put(0, &message, sizeof(message)); //trasmette rt_printk("taskone continues after sending message\n"); void tasktwo(long arg) int retval; char msgbuf[max_message_length]; rt_printk("tasktwo ready to receive\n"); retval = rtf_get(0, &msgbuf, sizeof(msgbuf)); //riceve if (retval>0) rt_printk("tasktwo: %s\n", msgbuf); rt_printk(" lunghezza: %d\n", retval); else printk("fifo queue is empty\n"); int init_module(void) printk("start of init_module\n"); rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); message(); printk("end of init_module\n"); return 0; void cleanup_module(void) stop_rt_timer(); rt_task_delete(&t1); rt_task_delete(&t2); return;

43 Altro esempio: FIFO bidirezionali #include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h> #include <linux/version.h> #include <linux/errno.h> #include <rtai.h> #include <rtai_sched.h> #include <rtai_fifos.h> MODULE_LICENSE("GPL"); static RT_TASK t1; static RT_TASK t2; void taskone(long arg); void tasktwo(long arg); #define MAX_MESSAGES 100 #define MAX_MESSAGE_LENGTH 50 static RTIME delay_count, delay_ns = 1e6; /* in nanoseconds, -> 1 msec */ void message(void) /* function to create the message queue and two tasks */ int retval; rtf_create (1,MAX_MESSAGES*MAX_MESSAGE_LENGTH); //crea FIFO con id 0 rtf_create (2,MAX_MESSAGES*MAX_MESSAGE_LENGTH); rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); delay_count = nano2count(delay_ns); //specifica il ritardo retval = rt_task_init(&t1,taskone, 0, 1024, 0, 0, 0); retval = rt_task_init(&t2,tasktwo, 0, 1024, 0, 0, 0); retval = rt_task_resume(&t1); retval = rt_task_resume(&t2); //esegue i thread

44 void taskone(long arg) int retval=0; char message[] = Messaggio dal taskone"; char msgbuf[max_message_length]; msgbuf[0]=0; rt_printk("taskone inizia a mandare un messaggio al tasktwo via FIFO\n"); retval = rtf_put(2, &message, sizeof(message)); //manda messaggio a tasktwo rt_printk("taskone continua\n"); t_sleep(delay_count); //aspetta per far partire tasktwo retval = rtf_get(1, &msgbuf, sizeof(msgbuf)); //riceve il messaggio if ( retval < 0 ) rt_printk("problem with fifo \n"); //test: cambia id in rtf_get else rt_printk("taskone riceve: %s con lunghezza: %d \n", msgbuf, retval); void tasktwo(long arg) int retval=0; char msgbuf[max_message_length]; char message[] = " Messaggio dal tasktwo "; msgbuf[0]=0; rt_printk(" tasktwo inizia a mandare un messaggio al taskone via FIFO\n "); retval = rtf_put(1, &message, sizeof(message)); //manda messaggio a taskone rt_printk("tasktwo continua\n"); rt_printk("tasktwo pronto per ricevere\n"); retval = rtf_get(2, &msgbuf, sizeof(msgbuf)); //riceve if ( retval < 0 ) rt_printk("problem with fifo \n"); else rt_printk("tasktwo receive: %s con lunghezza %d\n", msgbuf, retval);

45 int init_module(void) printk("start of init_module\n"); message(); printk("end of init_module\n"); return 0; void cleanup_module(void) stop_rt_timer(); rt_task_delete(&t1); rt_task_delete(&t2); return;

46 Programmazione in RTAI: IPC Mailbox: è un buffer gestito dal SO per scambio di messaggi tra processi e task Possono essere inizializzati per messaggi di lunghezza variabile Supportano più lettori/scrittori su base prioritaria Gestione prioritaria: un task che invia può essere interrotto se il task che aspetta è a priorità più alta Usabili dallo spazio utente e dallo spazio kernel Possono sostituire le rt_fifo ma sono più lente Implementate nello schedulatore di RTAI Invio e ricezione di messaggi: Incondizionato Su un certo numero di byte Con scadenza relativa/assoluta Per inizializzare/creare (messaggi di lunghezza arbitraria) int rt_mbx_init(mbx *mbx, int size);//size del buffer Inizializzare/creare una mailbox tipizzata int rt_typed_mbx_init(mbx *mbx, int size, int type)

47 Programmazione in RTAI: IPC Mailbox: per inviare/ricevere dati senza/con condizioni int rt_mbx_send(mbx *mbx, int size); int rt_mbx_receive(mbx *mbx, int size); int rt_mbx_send_wp(mbx *mbx, int size); int rt_mbx_receive_wp(mbx *mbx, int size); int rt_mbx_send_if(mbx *mbx, int size); int rt_mbx_receive_if(mbx *mbx, int size); Programma d esempio: taskone manda un messaggio via mailbox a tasktwo che lo scrive

48 #include <linux/kernel.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/module.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/version.h> /* LINUX_VERSION_CODE, KERNEL_VERSION() */ #include <linux/errno.h> /* EINVAL, ENOMEM */ #include <rtai.h> #include <rtai_sched.h> #include <rtai_mbx.h> MODULE_LICENSE("GPL"); static RT_TASK t1; static RT_TASK t2; void taskone(long arg); void tasktwo(long arg); #define MAX_MESSAGES 100 #define MAX_MESSAGE_LENGTH 50 static MBX mailboxid; void message(void) /* function to create the message queue and two tasks */ int retval; retval = rt_typed_mbx_init (&mailboxid, MAX_MESSAGES, FIFO_Q); //crea mailbox if (0!= retval) if (-ENOMEM == retval) printk( errore ENOMEM"); else printk( errore sconosciuto\n"); retval = rt_task_init(&t1,taskone, 0, 1024, 0, 0, 0); retval = rt_task_init(&t2,tasktwo, 0, 1024, 0, 0, 0); //init retval = rt_task_resume(&t1); retval = rt_task_resume(&t2); //exec

49 void taskone(long arg) /* task che scrive nella mailbox */ int retval; char message[] = ricvuto messaggio da TaskOne"; retval = rt_mbx_send(&mailboxid, message, sizeof(message)); //spedisce if (0!= retval) if (-EINVAL == retval) rt_printk("mailbox invalida\n"); else rt_printk( errore sconosciuto\n"); else rt_printk("taskone ha inviato messaggio\n"); void tasktwo(long arg) /* tasks che legge dalla mailbox */ int retval; char msgbuf[max_message_length]; retval = rt_mbx_receive_wp(&mailboxid, msgbuf, 50); if (-EINVAL == retval) rt_printk("mailbox invalida\n"); else rt_printk("tasktwo receive : %s con lunghezza %d\n",msgbuf, 50-retval); /* cancella la mailbox */ rt_mbx_delete(&mailboxid);

50 int init_module(void) printk( inizia init_module\n"); rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); message(); printk( finisce init_module\n"); return 0; void cleanup_module(void) stop_rt_timer(); rt_task_delete(&t1); rt_task_delete(&t2); return;

51 Programmazione in RTAI: IPC IPC memoria condivisa (shared memory) Per trasferire dati tra processi e task Naturalmente sono molto veloci Svantaggi: non essendo serializzati necessitano di un protocollo di accesso il bloccaggio tra processi e task non è supportato bisogna gestire il trasferimento con un metodo non è garantita la mutua esclusione processi/task Non è possibile rilevare letture/scritture interrotte Tipi di shared memory: Mbuff: condivisione processi/thread (cioè spazio utente/spazio kernel) senza richiedere RTAI Shmem: condivisione processi/thread (cioè spazio utente/spaziokernel) che dipende profondamente da RTAI

52 Programmazione in RTAI: IPC mbuff: Implementata come device driver: device /dev/mbuff Per accedere alla memoria condivisa dallo spazio utente/kernel: void *mbuff_alloc(unsigned long name, unsigned int size); Per rilasciare la memoria: void mbuf_free(int name, void *mbuf);

53 IPC in RTAI: memoria condivisa shmem: Implementata come device driver: device /dev/rtai_shm Per accedere dallo spazio utente: void *rtai_malloc(unsigned long name, int size); Per rilasciarla: void rtai_free(int name, void *adr); Per accedere dallo spazio kernel: void *rtai_malloc(unsigned long name, int size); Per rilasciarla: void rtai_free(int name, void *adr);

54 IPC in RTAI: semafori Semafori: sono di tre tipi Counting: Usati per registrare eventi (CNT_SEM) Binary: Usati per gestire eventi binari (BIN_SEM) Resource: Usati per gestire l accesso a risorse mediante la priority inheritance (RES_SEM) Per inizializzare un semaforo: void rt_typed_sem_init(sem *sem, int value, int type); Per usare un semaforo: int rt_sem_wait(sem *sem); int rt_sem_signal(sem *sem); Per il test sulla condizione di blocco: int rt_sem_wait_if(sem *sem); Per il test sul tempo massimo di blocco: int rt_sem_wait_timed(sem *sem, RTIME delay);

55 Programmazione in RTAI Problema della Inversione della priorità

56 #include <linux/kernel.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/module.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/version.h> /* LINUX_VERSION_CODE, KERNEL_VERSION() */ #include <linux/errno.h> /* EINVAL, ENOMEM */ #include "rtai.h" /* RTAI configuration switches */ #include "rtai_sched.h #include <rtai_sem.h> MODULE_LICENSE("GPL"); #define ITER 10 #define HIGH 102 /* high priority */ #define MEDIUM 103 /* medium priority */ #define LOW 104 /* low priority */ #define NORMAL_TIME /* nanoseconds */ #define LONG_TIME /* nanoseconds */ static RT_TASK t1, t2, t3; void priohigh(long arg); void priomedium(long arg); void priolow(long arg); static SEM sync, SEM sembinary; int global = 0; void binary(void) int retval; rt_sem_init(&sync, 0); rt_typed_sem_init(&sembinary, 1, BIN_SEM FIFO_Q ); retval = rt_task_init(&t1,priohigh, 1, 1024, HIGH, 0, 0); retval = rt_task_init(&t2,priomedium, 2, 1024, MEDIUM, 0, 0); retval = rt_task_init(&t3,priolow, 3, 1024, LOW, 0, 0); retval = rt_task_resume(&t1); retval = rt_task_resume(&t2); retval = rt_task_resume(&t3); while(!(rt_get_task_state(&t1) & RT_SCHED_SEMAPHORE)); while(!(rt_get_task_state(&t2) & RT_SCHED_SEMAPHORE)); while(!(rt_get_task_state(&t3) & RT_SCHED_SEMAPHORE)); rt_sem_broadcast(&sync);

57 int init_module(void) printk("start of init_module\n"); rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); binary(); printk("end of init_module\n"); return 0; void cleanup_module(void) return; void priolow(long arg) RTIME startime; int i; rt_printk("resumed TASK #%d (%p) ON CPU %d.\n", arg, &t3, hard_cpu_id()); rt_sem_wait(&sync); for (i=0; i < ITER; i++) rt_sem_wait(&sembinary);/* wait indefinitely for semaphore */ rt_printk("low priority task locks semaphore\n"); startime = rt_get_cpu_time_ns(); while(rt_get_cpu_time_ns() < (startime + NORMAL_TIME)); rt_printk("low priority task starts unlock semaphore\n"); rt_sem_signal(&sembinary); /* give up semaphore */ rt_printk("low priority task has unlocked semaphore\n"); rt_printk("...low priority task exited\n");

58 void priomedium(long arg) RTIME startime; int i; rt_printk("resumed TASK #%d (%p) ON CPU %d.\n", arg, &t2, hard_cpu_id()); rt_sem_wait(&sync); rt_sleep(nano2count( ));/* lascia tempo per i thread a bassa priorità */ for (i=0; i < ITER; i++) rt_printk("medium task running\n"); startime = rt_get_cpu_time_ns(); while(rt_get_cpu_time_ns() < (startime + LONG_TIME)); rt_printk(" medium priority task exited\n"); void priohigh(long arg) RTIME startime; int i; rt_printk("resumed TASK #%d (%p) ON CPU %d.\n", arg, &t1, hard_cpu_id()); rt_sem_wait(&sync); rt_sleep(nano2count( ));/* lascia tempo */ for (i=0; i < ITER; i++) rt_printk("high priority task trys to lock semaphore\n"); rt_sem_wait(&sembinary);/* wait indefinitely for semaphore */ rt_printk("high priority task locks semaphore\n"); startime = rt_get_cpu_time_ns(); while(rt_get_cpu_time_ns() < (startime + NORMAL_TIME)); rt_sem_signal(&sembinary); /* give up semaphore */ rt_printk("high priority task unlocks semaphore\n"); rt_printk("...high priority task exited\n");

59 Programmazione in RTAI Algoritmo priority inversion implementazione in RTAI Si risolve con semafori di tipo resource: rt_typed_sem_init(&sembinary, 1, BIN_SEM FIFO_Q );

60 #include <linux/kernel.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/module.h> /* decls needed for kernel modules */ #include <linux/version.h> /* LINUX_VERSION_CODE, KERNEL_VERSION() */ #include <linux/errno.h> /* EINVAL, ENOMEM */ #include "rtai.h" /* RTAI configuration switches */ #include "rtai_sched.h" #include <rtai_sem.h> MODULE_LICENSE("GPL"); #define ITER 10 #define HIGH 102 /* high priority */ #define MEDIUM 103 /* medium priority */ #define LOW 104 /* low priority */ #define NORMAL_TIME /* nanoseconds */ #define LONG_TIME /* nanoseconds */ static RT_TASK t1, t2, t3; void priohigh(long arg); void priomedium(long arg); void priolow(long arg); static SEM sync, SEM sembinary;; // semafori int global = 0; void binary(void) int retval; rt_sem_init(&sync, 0); rt_typed_sem_init(&sembinary, 1, RES_SEM FIFO_Q ); retval = rt_task_init(&t1,priohigh, 1, 1024, HIGH, 0, 0); retval = rt_task_init(&t2,priomedium, 2, 1024, MEDIUM, 0, 0); retval = rt_task_init(&t3,priolow, 3, 1024, LOW, 0, 0); retval = rt_task_resume(&t1);retval = rt_task_resume(&t2);retval = rt_task_resume(&t3); while(!(rt_get_task_state(&t1) & RT_SCHED_SEMAPHORE)); while(!(rt_get_task_state(&t2) & RT_SCHED_SEMAPHORE)); while(!(rt_get_task_state(&t3) & RT_SCHED_SEMAPHORE)); rt_sem_broadcast(&sync);

61 void priolow(long arg) RTIME startime; int i; rt_printk("resumed TASK #%d (%p) ON CPU %d.\n", arg, &t3, hard_cpu_id()); rt_sem_wait(&sync); for (i=0; i < ITER; i++) rt_sem_wait(&sembinary);/* wait indefinitely for semaphore */ rt_printk("low priority task locks semaphore\n"); startime = rt_get_cpu_time_ns(); while(rt_get_cpu_time_ns() < (startime + NORMAL_TIME)); rt_printk("low priority task unlocks semaphore\n"); rt_sem_signal(&sembinary); /* give up semaphore */ rt_printk("...low priority task exited\n"); void priomedium(long arg) RTIME startime; int i; rt_printk("resumed TASK #%d (%p) ON CPU %d.\n", arg, &t2, hard_cpu_id()); rt_sem_wait(&sync); rt_sleep(nano2count( ));/* allow time for task with the lowest priority to seize semaphore */ for (i=0; i < ITER; i++) rt_printk("medium task running\n"); startime = rt_get_cpu_time_ns(); while(rt_get_cpu_time_ns() < (startime + LONG_TIME)); rt_printk(" medium priority task exited\n");

62 void priohigh(long arg) RTIME startime; int i; rt_printk("resumed TASK #%d (%p) ON CPU %d.\n", arg, &t1, hard_cpu_id()); rt_sem_wait(&sync); rt_sleep(nano2count( ));/* lascia tempo ai task di piu bassa priorità */ for (i=0; i < ITER; i++) rt_printk("high priority task trys to lock semaphore\n"); rt_sem_wait(&sembinary);/* wait indefinitely for semaphore */ rt_printk("high priority task locks semaphore\n"); startime = rt_get_cpu_time_ns(); while(rt_get_cpu_time_ns() < (startime + NORMAL_TIME)); rt_printk("high priority task unlocks semaphore\n"); rt_sem_signal(&sembinary); /* give up semaphore */ rt_printk("...high priority task exited\n"); int init_module(void) printk( inizia init_module\n"); rt_set_oneshot_mode(); start_rt_timer(1); binary(); printk("end of init_module\n"); return 0; void cleanup_module(void) return;