一、 引言

    支持 FAST 開源架構(gòu)的 OpenBox-S4 平臺(tái)的核心器件采用的是 Xilinx 公司的 ZYNQ 系列芯片的產(chǎn)品，該平臺(tái)目前是 FAST 開源社區(qū)的主要適配平臺(tái)，支持所有的 FAST 開源項(xiàng)目，如 SDN、TSN 等。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN：Time Sensitive Networking）是以以太網(wǎng)     為基礎(chǔ)的新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有時(shí)間同步、延時(shí)保證等確保實(shí)時(shí)性的功能。     FAST 開源社區(qū)目前已經(jīng)完善了在真實(shí)物理網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境下的 TSN 功能適配，湖南新實(shí)也推出了一體化的 TSN 綜合演示方案。隨著我們對(duì) TSN 技術(shù)的不斷深耕，支持 TSN功能、適配 TSN 業(yè)務(wù)軟件的綜合系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境也將逐步推出。     ZYNQ RTOS 顧名思義就是在 ZYNQ 平臺(tái)上運(yùn)行 RTOS（Real Time Operating System，簡稱 RTOS），更準(zhǔn)確的說就是在 OpenBox-S4 上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，更好的支持 TSN技術(shù)。

二、 RTOS 背景

    How fast is fast enough? 實(shí)時(shí)是一種相對(duì)概念。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景與用戶需求不同，實(shí)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間要求不同，其實(shí)現(xiàn)方法也各有差異。支持 ZYNQ 的實(shí)時(shí)解決方案分為如下幾種： 1. SMP 的親和
    SMP（對(duì)應(yīng)多處理器）的親和是指將業(yè)務(wù)處理邏輯親近在某些或某個(gè)特定的 CPU核上進(jìn)行處理，減少 CACHE 失效帶來不確定的查表延時(shí)。CPU 的親和包括軟件邏輯的親和與中斷的親和。中斷的親和其實(shí)也是為了讓軟件邏輯親和在指定的核上工作。通過親和的方式可以對(duì)邏輯的性能帶來一定的提升，處理延時(shí)也會(huì)得到一些改善。但親和改善的主要關(guān)鍵在于 CACHE 的失效，故只對(duì)一些數(shù)據(jù) IO 密集形業(yè)務(wù)有改善，延時(shí)的穩(wěn)定性也與數(shù)據(jù)分布相關(guān)。 2. PREEMPT_RT
    PREEMPT_RT 是 Linux 內(nèi)核的一個(gè)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁。主要目的是為了提高 Linux 的延時(shí)響應(yīng)時(shí)間。補(bǔ)丁代碼需要替換內(nèi)核中成千上萬行的代碼，需要適配不同的支持設(shè)備，而且為了保證實(shí)時(shí)，也犧牲了系統(tǒng)整體的吞吐量。由于這些不盡理想的代價(jià)權(quán)衡，至今為止，該補(bǔ)丁仍未融入到 Linux 內(nèi)核的主線版本中來。 3. Enea LWRT
    Enea LWRT 是一種商業(yè)解決方案，主要是在用戶空間提供無中斷（上下文切換）的代碼執(zhí)行環(huán)境。整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分，一部分為實(shí)時(shí)分區(qū)，另一部分為非實(shí)時(shí)分區(qū)。其中實(shí)時(shí)部分既可以使用部分系統(tǒng)屏蔽的的 CPU 核來運(yùn)行，也可以在內(nèi)核中嵌入實(shí)時(shí)模塊來支持。實(shí)時(shí)的用戶空間提供了一些輕量級(jí)的線程 API 和管理模塊。 4. 裸機(jī) AMP
    AMP（非對(duì)稱多處理器）的最直接方案就是 Xilinx 提供的裸機(jī) APP 應(yīng)用。Linux 系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)專門的 CPU 核上，通常是 CPU0，然后通過 FSBL 將裸機(jī) APP 或可執(zhí)行代碼加載到 CPU1 上運(yùn)行。由于操作系統(tǒng)運(yùn)行在 CPU0 上，在 CPU1 上僅運(yùn)行業(yè)務(wù)邏輯代碼，不存在上下文切換，調(diào)度等任何其他帶來的延時(shí)開銷，故該方法可以較好的保證業(yè)務(wù)邏輯處理的實(shí)時(shí)性 5. FreeRTOS
    FreeRTOS 主要由 Amazon 開發(fā)與維護(hù)，屬于 AMP 架構(gòu)。Linux 系統(tǒng)運(yùn)行在 CPU0上，在 CPU1 上運(yùn)行支持整個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)任務(wù)與非實(shí)時(shí)任務(wù)均只在自己的核上運(yùn)行，但兩者之間可以相互訪問。實(shí)時(shí)訪問非實(shí)時(shí)要根據(jù) MMU 的地址定義來決定，而非實(shí)時(shí)訪問實(shí)時(shí)可以像訪問其他設(shè)備存儲(chǔ)一樣讀寫。 6. Xenomai
    Xenomai 是一種采用雙內(nèi)核機(jī)制的 Linux 內(nèi)核的強(qiáng)實(shí)時(shí)擴(kuò)展。他與 Linux 共享硬件資源，優(yōu)先級(jí)高于 Linux 內(nèi)核，負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)。其運(yùn)行方式更像一個(gè)勾子系統(tǒng)，系統(tǒng)支持的內(nèi)部或外部中斷觸發(fā)后，先由 Xenomai 執(zhí)行，屬于實(shí)時(shí)操作的任務(wù)在 Xenomai 環(huán)境下全部執(zhí)行完成，由于該環(huán)境的最高優(yōu)先級(jí)，處理過程不會(huì)被 Linux 中斷。只有非實(shí)時(shí)處理任務(wù)會(huì)被分派到 Linux 系統(tǒng)執(zhí)行。這樣就可以完全保證 Xenomai 環(huán)境任務(wù)的實(shí)時(shí)要求不受 Linux 的影響，提供系統(tǒng)的實(shí)時(shí)可確定性。

三、 我們的選擇

    FAST 開源架構(gòu)主要面向網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，TSN 技術(shù)更是為了支持確定性的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸。通過上述的幾種對(duì)實(shí)時(shí)處理的解決方案對(duì)比，裸機(jī) AMP、FreeRTOS 和 Xenomai 各有優(yōu)勢(shì)與不足。結(jié)合目前我們?cè)?FAST 架構(gòu)上的應(yīng)用與開發(fā)，我們傾向選擇 Xenomai。一方面由于該方案更適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，包含了從驅(qū)動(dòng)、協(xié)議棧到用戶應(yīng)用的完整的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)示例。另一方面該方案仍然支持并使用 SMP 架構(gòu)的通用 Linux 系統(tǒng)，對(duì)用戶原有系統(tǒng)架構(gòu)和 FAST 原有支持系統(tǒng)與架構(gòu)均不會(huì)帶來任何影響。

四、 測(cè)試與驗(yàn)證

    目前系統(tǒng)正在測(cè)試過程中     關(guān)于 RTOS 上的實(shí)時(shí)應(yīng)用開發(fā)，敬請(qǐng)關(guān)注 FAST 開源社區(qū)的推出的技術(shù)文章