\input{confighandout}
\subsection{RT\_PREEMPT}

\subsubsection{Anwendung des Preempt RT Patches}
\paragraph{Besorgen und Anwenden des Patches}
Preempt RT wird als Patch gegen den Mainline Linux Kernel gepflegt.
Unter:\newline
http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt sind die aktuellsten Patche
für Preempt RT zu finden. Im Unterverzeichnis older/ sind ältere Patche
archiviert. Das Vorbereiten eines Kerneltrees mit Preempt RT ist denkbar
einfach:
\begin{lstlisting}
# Vanilla Kernel
wget http://www.kernel.org/pub/linux/kernel\
/v2.6/linux-2.6.29.5.tar.bz2

# Preempt RT Patch
wget http://www.kernel.org/pub/linux/kernel\
/projects/rt/patch-2.6.29.5-rt21.bz2

# Extract the kernel tree
tar xjvf linux-2.6.29.5.tar.bz2
# Patch the kernel tree
cd linux-2.6.29.5
bzcat ../patch-2.6.29.5-rt21.bz2 | patch -p1
\end{lstlisting}
Mit Steven Rostedt's Version des Pythonskripts ''ketchup'' geht es sogar noch einfacher (Steven
Rostedt's ketchup Version steht unter:\newline
http://people.redhat.com/srostedt/rt/tools/ketchup-0.9.8-rt3 zum Download
bereit):
\begin{lstlisting}
mkdir linux-2.6.29.5-rt21
cd linux-2.6.29.5-rt21
ketchup -f --no-gpg 2.6.29.5-rt21
\end{lstlisting}

\paragraph{Konfigurieren und Übersetzen eines Preempt RT Kernels}
Die Konfiguration und das Übersetzen machen keinen Unterschied zu Linux ohne
Preempt RT Patch:
\begin{lstlisting}
# external build directory
mkdir ../build
# base build on existing config
cp /boot/config-x-x-x ../build/.config
make O=../build oldconfig
\end{lstlisting}
Für ein Echtzeitsystem müssen verschiedene Kerneloptionen aktiviert werden:
\begin{lstlisting}
make O=../build menuconfig
\end{lstlisting}
Die wichtigsten Optionen befinden sich unter dem Menupunkt ''Kernel features''
bzw. ''Processor type and features''.
\begin{figure}[ht!]
\centering
\includegraphics[height=0.5\textwidth]{images/menu_rt_001.png}
\end{figure}
Dort müssen folgende Optionen aktiviert werden:
\begin{itemize}
\item High Resolution Timer Support
\item Preemption Mode (Complete Preemption (Real-Time))
\end{itemize}
\begin{figure}[ht!]
\centering
\includegraphics[height=0.5\textwidth]{images/menu_rt_002.png}
\end{figure}
\begin{figure}[ht!]
\centering
\includegraphics[height=0.5\textwidth]{images/menu_rt_003.png}
\end{figure}
\begin{figure}[ht!]
\centering
\includegraphics[height=0.5\textwidth]{images/menu_rt_004.png}
\end{figure}
Das Übersetzen des Kernels erfolgt nun wie üblich mit
\begin{lstlisting}
make O=../build
make O=../build modules
make O=../build install
make O=../build modules_install
\end{lstlisting}

\subsubsection{Testen eines Preempt RT Systems}
\paragraph{RT Tests}
Die RT Tests sind eine Sammlung von Programmen, zur Validierung der
Eigenschaften von Echtzeitsystemen. Die RT Tests umfassen folgende Tools:
\begin{itemize}
\item cyclictest: High Resolution Timer Testsoftware.
\item hwlatdetect: Python Script zur Steuerung des Kernelmoduls zur Erkennung
von System Management Interrupts (hwlat\_detector).
\item pi\_stress: Stresstest für Mutexe mit Priority Inheritance Attribut
\item signaltest: Benchmark, bei dem Signale zwischen Tasks ausgetauscht werden.
\end{itemize}
Die Sourcen der RT Tests werden in einem GIT Tree verwaltet.
\begin{lstlisting}
# Checkout RT Tests
git-clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel\
/git/clrkwllms/rt-tests.git

# Compile RT Tests
cd rt-tests
make
\end{lstlisting}
\subparagraph{Cyclictest}
Cyclictest ist die wohl meistgenutzte Testsoftware auf Preempt RT Systemen. Mit
Cyclictest kann eine bestimmte Anzahl von Timertasks mit einem definierten
Interval aufgesetzt werden. Für diese Tasks wird kontinuierlich die Abweichung
zum gewünschten Intervall gemessen und hierfür die Maximale und Durchschnittliche
Abweichung aufgezeichnet. Die wichtigsten Parameter für Cyclictest sind die
Anzahl und die Priorität der gewünschten Timertasks, die Art des zu verwendenden
Timers und das gewünschte Timerintervall:
\begin{lstlisting}
# 4 Timertasks (2000 , 2500, 3000, 3500us)
# -i options tells us the interval of the first task
# the interval of all other tasks will be increased
# by 500us
# The -p options tells us the priority of the first task
# the priorities of all other tasks will be decremented by 1
# -n = using nanosleep
zi:~# cyclictest -p80 -n -t4 -i2000
0.32 0.30 0.12 1/56 2124          

T: 0 ( 2121) P:80 I:2000 C: 1258 Min: 62 Act: 99 Avg: 83 Max: 161
T: 1 ( 2122) P:79 I:2500 C: 1007 Min: 47 Act: 76 Avg: 77 Max: 130
T: 2 ( 2123) P:78 I:3000 C:  841 Min: 54 Act: 76 Avg: 82 Max: 136
T: 3 ( 2124) P:77 I:3500 C:  723 Min: 67 Act: 95 Avg: 96 Max: 177
\end{lstlisting}
\paragraph{Lastszenarien}
Um eine Aussage über das Echtzeitverhaltens treffen zu können, interessiert in
der Hauptsache das Verhalten in Worst-Case Szenarien (hohe CPU Last, hohe
Interruptlast). Ein ausgezeichnetes Werkzeug, um CPU Last zu erzeugen, ist
''hackbench''. Hackbench wurde ursprünglich als Schedulerbenchmark entwickelt.
Es erzeugt eine bestimme Anzahl an Prozessgruppen von Clients und Servern, die
über Sockets miteinander kommunizieren:\newline
http://people.redhat.com/mingo/cfs-scheduler/tools/hackbench.c

Interruptlast, läßt sich hervorragend mit einem Floodping von einem entfernten
Rechner erzeugen. Ein Floodping schickt eine große Anzahl von ICMP Paketen in
kurzer Zeit. Dies erzeugt eine hohe Anzahl von Netzwerkinterrupts. Um Floodpings
zu generieren muß das Programm ping mit Rootrechten und mit der Option -f
ausgeführt werden.
\subparagraph{Pitfall}
Ein sehr häufig gemeldetes Phänomen bei Testläufen von Cyclictest mit einem
Floodping als Lastszenario, sind extrem große Ausreißer in der Größenordnung von
50ms. Dies ist auf ein ''Feature'' aktueller Preempt RT Kernel zurückzuführen.
Da Preempt RT auch auf vielen Desktops eingesetzt wird, auf denen Low Latency
Anwendungen betrieben werden (z.B. Multimedia Anwendungen), häuften sich
Fehlerberichte, die letztendlich nicht auf ein Kernelproblem zurückzuführen
waren, sondern auf eine Realtime Applikation, die den Rest des Systems
aushungerte. Daher wurde eine Option eingeführt, die die Laufzeit von Realtime
Tasks beschränken kann. Überschreiten die Realtime Tasks dieses Zeitlimit,
werden diese für einen bestimmten Zeitraum nicht mehr geschedult. Die
Standardeinstellung liegt bei 950ms. Bei Überschreiten der 950ms werden die
Echtzeittasks für 50ms suspendiert.
Da Interrupts unter Preempt RT als Kernelthread mit Echtzeitprioriät laufen
und durch den Floodping eine hohe Anzahl an Netzwerkinterrupts
(einschliesslich der zugehörigen Softinterrupts) erzeugt wird, nehmen Realtime
Tasks im System einen Großteil der Resourcen ein. Somit kann es passieren, daß
dieses Zeitlimit überschritten wird.
Das Limit für die Rechenzeit kann durch Schreiben des gewünschten Wertes nach
/proc/sys/kernel/sched\_rt\_runtime\_us angepaßt werden.
Zum Deaktivieren dieser Funktion muß Folgendes getan werden:
\begin{lstlisting}
echo -1 > /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us
\end{lstlisting}
\subsubsection{Erstellen einer Realtime Task für Preempt RT}
\paragraph{Schedulingklassen / Prioritäten}
Eine Realtime Applikation auf Preempt RT ist eine POSIX Realtime Applikation.
POSIX sieht für Echtzeitapplikationen folgende Schedulingstrategien vor:
\begin{itemize}
\item SCHED\_FIFO: Scheduling mit statischen Prioriäten
\item SCHED\_RR: Round Robin mit Prioritäten
\end{itemize}
Echtzeitpriorität bekommt eine Applikation nur dann, wenn dies explizit
gewünscht wird. Hierzu ist die Funktion sched\_setscheduler() vorgesehen.
\paragraph{Beispiel einer Echtzeitapplikation}
Das folgende Beispiel zeigt eine einfache POSIX Realtimeapplikation:
\begin{lstlisting}
/*
 * POSIX Realtime Example
 * based on the example on http://rt.wiki.kernel.org
 /
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <sched.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>

#define MAX_SAFE_STACK (8*1024) /* The maximum stack size which is
                                   guranteed safe to access without
                                   faulting */

void stack_prefault(void) {

        unsigned char dummy[MAX_SAFE_STACK];

        memset(&dummy, 0, MAX_SAFE_STACK);
        return;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
        struct sched_param param;

        /* Declare ourself as a real time task */
        param.sched_priority = 80;
        if(sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param) == -1) {
                perror("sched_setscheduler failed");
                exit(-1);
        }

        /* Lock memory !!!*/
        if(mlockall(MCL_CURRENT|MCL_FUTURE) == -1) {
                perror("mlockall failed");
                exit(-2);
        }

        /* Pre-fault our stack */
        stack_prefault();

        while(1) {
		[...]
   	}
}
\end{lstlisting}
Die oben aufgelistete Applikation zeigt sehr schön, was notwendig ist, um eine
Applikation mit deterministischem Zeitverhalten zu erzeugen:
\begin{itemize}
\item RT Scheduling Policy und Priorität festlegen
\item Speicher locken, um undeterministisches Zeitverhalten durch
Pagefaults auszuschliessen.
\item ''Stack Pre-Faulting'', um zu vermeiden, daß Stackfaults
undeterministisches Zeitverhalten verursachen
\end{itemize}
Eine Ausgezeichnete Einführung zum Erstellen von Echtzeitapplikationen und zur
Verwendung von Preempt RT findet sich unter:\newline
http://rt.wiki.kernel.org
\paragraph{Tracing / Latenzen aufspüren}
\subparagraph{FTrace}
Ein hervorragendes Werkzeug, um kernelseitige Codepfade aufzuspüren, die lange
Latenzzeiten verursachen, ist Ftrace. Ftrace wird über DebugFS, einem virtuellen
Dateisystem, gesteuert und platziert dort auch seine Ausgaben. Die einfachste
Methode, FTrace zu verwenden ist Cyclictest. Cyclictest biete bereits einige
Optionen, um FTrace zu steuern. Die Option -f schällt Cyclictests Ftrace
Support an, -b <max\_latency> veranlaßt Cyclictest, bei Überschreiten einer
maximalen Latenzzeit, abzubrechen und einen Trace zu triggern.
\subparagraph{Kerneloptionen für FTrace}
Um FTrace verwenden zu können, müssen beim Konfigurieren des Kernels einige
unter dem Menupunkt ''Kernel hacking-->Tracers'' einige Optionen aktiviert werden:
\begin{itemize}
\item Kernel Function Tracer
\item Beliebige Optionen, die mit Trace beginnen (der zu verwendende
Tracetyp kann cyclictest über die Commandline mitgegeben werden, siehe
cyclictest -h. Default ist der Event Tracer)
\end{itemize}
\subparagraph{Beispiel eines Traces}
Das Erstellen eines Traces mit cyclictest läßt sich am Besten mit einem Beispiel
erläutern:
\begin{lstlisting}
# mount DebugFS
mkdir -p /mnt/debugfs
mount -t debugs debugfs /mnt/debugfs

# list available tracers
zi:~# cat /mnt/debugfs/tracing/available_tracers 
wakeup_rt wakeup preemptoff function sched_switch nop

# start trace
cyclictest -p80 -n -f -b 100

zi:~# less /mnt/debugfs/tracing/trace
# tracer: function
#
#           TASK-PID    CPU#    TIMESTAMP  FUNCTION
#              | |       |          |         |
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851178: __rt_mutex_adjust_prio<-t
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851186: __rt_mutex_adjust_prio<-t
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851189: task_setprio<-__rt_mutex_
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851192: task_rq_lock <-task_setpr
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851195: sched_clock <-sched_clock
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851199: dequeue_task <-task_setpr
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851202: dequeue_task_fair <-deque
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851206: update_curr <-dequeue_tas
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851217: enqueue_task_rt <-task_se
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851221: dequeue_rt_stack<-enqueue
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851226: switched_to_rt <-task_set
IRQ-129-772   [000] 4154503386.851234: timer_interrupt<-ret_from
[...]
\end{lstlisting}

\paragraph{Kontrollfragen}
\begin{itemize}
\item Welche Optionen sollten beim Übersetzen eines Preempt RT Kernels
mindestens gesetzt sein?
\item Wozu dient das Tool cyclictest?
\item Welchen bekannten ''Pitfall'' gibt es bzgl. hoher Latencies mit Floodping
als Lastszenario? Wie kann dieser umgangen werden?
\item Welche 3 Schritte sind notwendig, um das deterministische Zeitverhalten
einer Applikation zu garantieren?
\end{itemize}

\input{tailhandout}
