Real-Time Linux

Kovan reaaliaikajärjestelmän vaatimuksille on neljä määrittelyä ja on tiedettävä mitä käyttäjä tarkoittaa:[3]

• järjestelmän on aina kohdattava aikarajat
  • tämä määritelmä on epäreilu ohjelmalle mikäli laitteisto vikaantuu
• järjestelmän on aina kohdattava aikarajat, mutta vain laitteistovian puuttuessa
  • tämä määritelmä yksinkertaistaa asioita, mutta ei ole riittävä järjestelmätasolla
  • ”timantinkova” reaaliaikajärjestelmä voi suorittaa kytkemällä pois laitteistokeskeytykset
• järjestelmä saa ohittaa aikarajan, mutta vain jos se ilmoittaa siitä
  • esimerkiksi korkean tarkuuden anturitietojen keruussa ennakoimattomien kuormien ollessa läsnä järjestelmässä
• järjestelmä määritellään testijoukon läpäisyllä
  • eräät vaativat tämän sijaan formaalia (matemaattista) todistetta eivätkä kelpuuta tätä määrittelyä

Reaaliaikaisuus ei tarkoita nopeutta vaan latenssia ja deterministisyyttä.[4] Reaaliaikaisessa käsittelyssä 99 %:n todennäköisyys ei ole riittävä ja painopiste on pahimpien tapauksien (engl. worst case) käsittely siten, että tulos on ennakoitava ja toistettava: suorituskykyä painottava käsittely optimoi keskivertotapausta.[5] Turvakriittinen ja reaaliaikainen eivät ole sama asia, mutta voivat liittyä toisiinsa.[5]

Linuxia käytettiin tutkimusalustana jo varhain ja tutkijat alkoivat muuttaa Linuxia reaaliaikaiseksi käyttöjärjestelmäksi vaihtelevalla menestyksellä, mutta eivät tähdänneet pääsarjan ytimen muuttamiseen.[6] Vuonna 2004 eri tahot aloittivat koordinoimattomia yrityksiä saada avaintekniikoita ytimeen, mutta ne olivat vielä puutteellisia.[6] Red Hatille työskennellyt Ingo Molnar alkoi koota ja muokata kehitystä muutossarjaksi nimeltä PREEMPT_RT ja samaan aikaan Thomas Gleixner työskenteli Doug Niehausin kanssa oman ratkaisun siirtämiseksi.[6] Molnarin ja Gleixnerin työ oli sekä toisiaan täydentävää että ristiriidassa keskenään joten he yhdistivät voimavaransa.[6] Muita tahoja kuten Steven Rostedt liittyi mukaan tuoden omia ideoita ja kokemusta reaaliaikaisuuden tutkimuksesta.[6] Ryhmä sai nopeasti aikaan ratkaisun, joka oli vielä kaukana ylläpidettävästä ja tuotantovalmiista.[6] Pääsarjan ytimeen liittämiseksi on tarvittu vielä paljon valmistelevaa työtä ja integraatio ei ole voinut olla haittana muulle Linux-ytimen käytölle ja kehitykselle: muutossarja koskee keskeisiä osia ytimestä.[6]

Reaaliaikaisten järjestelmien käyttöalue on laaja ja useissa tapauksissa hyvin erikoistunut sekä voi olla aluekohtaisten standardien ja lakien säätelemä.[6] Real-Time Linux projekti ei tähtää näihin erikoistuneisiin tapauksiin vaan on suunnattu kattamaan 99% käyttötapauksista.[6] Validointia varten on käynnistetty Linux Foundationin ELISA-projekti.[6][7] Moniprosessointi on yleistynyt myös sulaututetuissa järjestelmissä ja järjestelmän osiointi (suorittimien eristäminen tiettyyn tehtävään) on yksi käyttötapaus.[3][8][9]

RTL:stä on myös käytetty nimiä -rt, RT-Patch ja RT PREEMPT sekä PREEMPT_RT. Pääsarjan ydintä on vaiheittain muokattu yhteensopivaksi.[10] Linux-ytimen versiossa 5.3 on CONFIG_PREEMPT_RT on liitetty osaksi pääsarjan ydintä.[11] Muutoksilla ytimen omat toiminnot ovat keskeytettäviä.[12][13][3] Lukitukseen liittyvä koodi on yhdistetty pääsarjaan versiossa 5.15.[14] SLUB-muistivaraus on tehty yhteensopivaksi PREEMPT_RT:n kanssa versiossa 5.15.[15] Reaaliaikakäyttöön konfiguroidussa ytimessä on siihen tarkoitetut versiot mutexeista, wait/wound mutexeista, luku/kirjoitus semaforeista, spinlockeista ja read/write lukoista.[16] Aiemmin SCHED_DEADLINE-vuoronnus on lisätty ytimeen versiossa 3.14.[17] Muita käytäntöjä ovat SCHED_FIFO ja SCHED_RR.[18] Keskeytyksien käsittely säikeissä on ollut ytimessä jo pitkään.[4][13]

Linux-ytimen reaaliaikatuki voidaan konfiguroida useasta eri vaihtoehdosta:[4]

• ei pakotettua keskeytystä - CONFIG_PREEMPT_NONE
• vapaaehtoinen keskeytys - CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY
• keskeytettävä ydin (alhaisen latenssin työpöytä) - CONFIG_PREEMPT_LL
• keskeytettävä ydin (perustason reaaliaikaisuus) - CONFIG_PREEMPT_RTB
• täysin keskeytettävä ydin - CONFIG_PREEMPT_RT_FULL

Prioriteettien inversio-ongelman välttämiseksi reaaliaikainen ydin tukee prioriteettien perintää.[4] Prioriteettien perintä nostaa lukon varanneen prioriteettia vähintään samalle tasolle kuin lukkoa odottavalla kunnes lukko vapautuu, jotta lukon varannut saa riittävästi ajoaikaa.[19][20] Reaaliaikaisessa ytimessä spin lock -lukituksista tulee mutex-lukituksia.[4]

Normaali Linux-ydin käyttää tasavertaista (engl. fair) vuoronnusta, mutta reaaliaikaisessa ytimessä korkeimmalla prioriteetilla oleva saa aina ensin vuoron.[21] Tasavertaisessa lukkoa ensin odottava saa ensin vuoron mutta reaaliaikaisessa korkeammalla prioriteetilla oleva saa sen ensin.[21] Levylle sivuttaminen on mahdollista estää.[21]

Ytimessä on käytetty local_lock-alueita merkitsemään paikkoja, jotka tavallisessa ytimessä voivat hetkellisesti kytkeä moniajon pois tai estää keskeytykset.[22] PREEMPT_RT-ytimessä nämä eivät estä ytimen moniajoa eivätkä kytke pois keskeytyksiä ja lisäksi PREEMPT_RT-ytimessä eräät primitiivit käyttävät eri tyyppiä jotta moniajoa ei estetä.[22][23][24]

Ytimessä on Lockdep-niminen työkalu lukitusmallin oikeellisuuden validointiin.[25][26]

Reaaliaikaversio on saatavilla mm. seuraaville suoritinarkkitehtuureille:[27]

• ARM
• x86 / x86-64
• MIPS
• M68k
• Power

Projektin tukijoina ovat:[1]

• National Instruments
• OSADL
• Texas Instruments
• Altera
• ARM
• Intel
• IBM

OSADL jäseniä ovat:[28]

• BMW
• Homag GmbH
• Intel
• KEBA AG
• Komax
• Phoenix Contact
• Roche
• Trumpf
• WAGO

OSADL-projekti Safety Critical Linux pyrkii sertifioimaan reaaliaikaisen Linuxin.[29]

Lisäksi on olemassa RTLinux, RTAI-laajennus Linux-ytimeen, Xenomai, Linux/RK, LITMUS-RT sekä LibeRTOS.

• Reaaliaikainen käyttöjärjestelmä
• Jailhouse

• Real-Time Linux Wiki
• The RTL Collaborative Project
• OSADL