Real-Time Linux w zastosowaniach przemysłowych

Linux jest coraz częściej wykorzystywany w systemach wymagających przetwarzania danych i odpowiedzi w czasie rzeczywistym. Podczas kursu, omawiane są wszystkie aspekty dostosowania tego systemu do zastosowań w charakterze sterownika procesu przemysłowego.
Omawiany jest Linux jako RTOS: rozwiązania otwartoźródłowe: RT-PREEMPT, Xenomai, RTAI oraz komercyjne, polegające na użyciu koprocesora (PRU lub Cortex-M).

Czas trwania

4 dni (32 godziny)

Cel szkolenia

• Zapoznanie z zagadnieniami czasu rzeczywistego, przetwarzania w czasie rzeczywistym.
• Nabycie praktycznych umiejętności planowania, dostosowania i wdrożenia zmodyfikowanego Linuksa jako systemu czasu rzeczywistego.
• Poznanie wzorców projektowych i umiejętności tworzenia aplikacji działających w czasie rzeczywistym.

Program Szkolenia

Dzień 1. Linux w systemach wbudowanych – budowa systemu, wprowadzenie do zagadnień Real-Time w Linuksie.

Wprowadzenie do Linuksa Embedded – "w pigułce" (kompilacja, cross-kompilacja dla systemów wbudowanych, struktura kodu jądra i narzędzi, praca z systemem kontroli wersji GIT, moduły jądra, licencje). cross-toolchain – budowa, planowanie i dobór narzędzi deweloperskich, typowe rozwiązania, problemy i błędy (toolchain zbudowany samodzielnie vs. Gotowy)

• Uruchamianie urządzenia: Power-on-reset, bootloader pierwszego poziomu, u-boot
• Uruchamianie jądra Linux, budowa jądra. Budowa systemu (warstwy), jądro – przestrzeń użytkownika.
• Buildroot – konfiguracja, receptury, use-case, dostosowanie narzędzi do własnych potrzeb.
• Realizacja wejścia-wyjścia w systemie Linux, polling i przerwania.
• Obsługa przerwań,
• Multipleksacja pin-ów, Device-Tree.
• Wprowadzenie do zagadnień Real-Time – rozwiązania sprzętowe i programowe.
• Zastosowanie Linuksa w systemach Real-Time (latency, jitter, worst case, safety critical)
  • pomiary opóźnień z użyciem generatora i oscyloskopu
  • budowa typowego sterownika (magistrala, frameworki dostępne w jądrze),
  • skąd się biorą opóźnienia
  • opcje konfiguracji jądra związane z opóźnieniami
  • przerwania, dolne połówki, opóźnienia w obsłudze przerwań
  • wywłaszczanie kodu jądra (voluntary, forced preemption)
  • High Resolution Timers

Po tej części:

Uczestnicy będą w stanie samodzielnie zaplanować dobór odpowiednich narzędzi (toolchain-a) dla danych urządzeń i zadań. Poznają budowę systemu Embedded Linux i sposób jego uruchamiania. Samodzielnie zbudują system bazowy. Przedstawione zostaną źródła opóźnień w obsłudze wejścia-wyjścia i metody ich pomiarów. Na przykładowym sterowniku realizującym wejście-wyjście na liniach GPIO – przedstawiona zostanie budowa sterownika (magistrala platform, rejestracja urządzeni, rejestracja sterownika, frameworki udostępniane przez jądro, rejestracja przerwania, opis urządzeń – Device-Tree).

Ćwiczenia:

Ta seria ćwiczeń polega na sukcesywnej kompilacji poszczególnych elementów systemu i uruchamianiu ich na urządzeniu w celu zrozumienia z czego składa się i jak działa system.

• posługiwanie się cross-kompilatorem (z linii poleceń), konfiguracja systemu do pracy z cross-kompilatorem (ścieżki, sysroot, dodatkowe pakiety i biblioteki). Omawiane są podstawowe różnice pomiędzy wariantami biblioteki standardowej: glibc, uClibc, musl.
• kompilacja bootloadera – u-boot i uruchomenie go z wykorzystaniem procedury Recovery (start urządzenia bez wgranego firmware-u) - uruchamianie „zbrickowanego” urządzenia.
• konfiguracja i parametryzacja u-boot-a (zmienne, skrypty)
• uruchomienie urządzenia z karty SD (formatowanie karty, automatyzacja procesu)
• kompilacja jądra Linux i uruchomienie go na urządzeniu (u-boot ładuje jądro z karty SD)
• kompilacja systemu przy pomocy Buildroot-a, wybór wersji jądra, programów, dodawanie własnych komponentów (serwer SSH, serwer WWW)
• konfiguracja sieci: hotplug Ethernet (ifplugd),
• konfiguracja sieci USB (urządzenie jako klient USB)
• uruchomienie sterownika realizującego wejście-wyjście (linia GPIO z przerwaniem, linia GPIO – LED).
• Ustawienie multipleksacji pin-ów, modyfikacja i rekompilacja Device-Tree.

Dzień 2. How to make Linux Real-Time?

• dokończene tematów z poprzedniego dnia (ftrace, pomiary)
• Efektywna zmiana systemu Linux w system deterministyczny.
  RT-PREEMPT – patche dla jądra Linux poprawiające responsywność implementacja,
• dobór wersji jądra i patchy (long-time-support kernels, safety critical Linux, external tests)
• konfiguracja, używanie, strojenie,
• pomiary czasu reakcji,
• użycie i pomiary na przykładzie urządzenia realizującego sterowanie procesem przemysłowym (laser medyczny, dozowanie komponentów)
• API POSIX-RT i jego implementacja w Linuksie
  • procesy, planista
  • wątki (tworzenie, zarządzanie, synchronizacja)
  • komunikacja proces-jądro (mmap)
  • blokowanie pamięci, prefetching
  • real-time IPC - signals, shared memory, locking (semaphores, mutexes, futexes...), message queues and mailboxes.
  • AIO – Asynchronous Input-Output - making use of non-real time drivers and peripherals, storing data on disk, using non real-time network.

Po tej części:

Uczestnicy będą potrafili korzystać a API dostępnego w niezmodyfikowanym jądrze Linux (do tworzenia aplikacji Soft-Real-Time) a także posługiwać się patchami PREEMPT-RT.

Ćwiczenia:

Polegają na sukcesywnym budowaniu aplikacji realizującej sterowanie procesem przemysłowym (sterowanie laserem). Aplikacja składa się z GUI zbudowanego przy pomocy biblioteki QT, oraz napisanej w C części realizującej sterowanie w czasie rzeczywistym. Komunikacja odbywa się przez mechanizmy systemowe oraz sieć (GUI działa na PC).
Część realizująca GUI, szkielet aplikacji są przygotowane wcześniej – uczestnicy implementują kluczowe funkcje.

• Kompilacja, uruchomienie aplikacji
• Ustawienie odpowiednich parametrów planisty
• Alokacja i zablokowanie pamięci
• Realizacja wejścia-wyjścia
• Nieblokująca komunikacja pomiędzy procesami

Dzień 3. Utilizing Co-kernel approach

Prezentacja rozwiązań, w których procesy Real-Time działają pod kontrolą mikrojądra, równolegle z nimi uruchamiany jest Linux (jako jeden z wątków mikrojądra).

• I-pipe (Adeos), Nano-kernel design, interrupt domains and pipelines
• Xenomai (rozwiązanie do zastosowań przemysłowych)
  • introduction,
  • implementation,
  • configuring optimizing and tuning
  • RTDM – Real Time Device Model
  • Xenomai Skins – the way of emulating traditional RTOS-es on top of I-Pipe
  • IPC in Xenomai
  • Xenomai – Linux communication
  • measuring the ability of the system to respond to signal (the lowest possible latency)
• RTAI – alternative co-kernel solution (krótko – jest to rozwiązanie „akademickie”)
  • unique properties of RTAI
  • RTAI-Lab – toolchain to develop block diagrams, that can be compiled and executed on the RTAI Linux system.
  • Scilab, Scicos, Matlab, Simulink or RTW integration.

Po tej części:

Uczestnicy będą w stanie korzystać z Xenomai.

Ćwiczenia:

Część Real-Time aplikacji przygotowanej poprzedniego dnia zostanie zaimplementowana jako wątek Xenomai.

• Praca z kodem.
• Realizacja procesu Real-Time w Xenomai (domeny kod)
• Realizacja sterownika (RTDM – Real-Time Devices Model)
• Komunikacja Xenomai – Linux
• Pomiary opóźnień.

Dzień 4. Real-Time communication.

• Real-Time networking, network latency
• network stack, protocols, sockets, raw sockets
• RTnet, RTmac
• distributed real-time processing
• Talking to the world
• input/output interfaces: Serial, GPIO, SPI, I2C, CAN
  • ... and protocols CAN, Modbus
  • analog input
  • Industrial I/O
  • Comedi Framework
• best practices of Real-Time Linux in Safety-Critical environments
  • watchdog
  • error recovery (memory ECC, error-safety algorithms).
• PRU (Programmable Real-Time Unit)
  • wykorzystanie jednostek PRU dostępnych w procesorach AM335x
  • kompilacja i ładowanie kodu mikrokontrolera
  • komunikacja z programem,
  • obsługa I/O, pomiary.
• Dodatkowe use-case-y (do wyboru):
  • propozycja: bezpieczeństwo systemu – zabezpieczanie oprogramowania przed nieuprawnioną analizą – szyfrowanie urządzeń blokowych i pamięci NAND, zabezpieczanie firmware-u.
  • propozycja: zabezpieczenie oprogramowania przed sklonowaniem, zabezpieczenie przed wgraniem i uruchomieniem obcego kodu
  • propozycja: komunikacja z zegarem RTC podtrzymywanym bateryjnie, dostępnym na magistrali I2C propozycja: omówienie mechanizmu framebuffera, wyświetlacz graficzny, wyświetlacz tekstowy propozycja: recovery, software update: praktyczne rozwiązania aktualizacji systemu: sprzętowy bootloader, u-boot, ramdysk.
  • propozycja: IPv6 – konfiguracja i zastosowanie, zabezpieczanie komunikacji sieciowej (Ipsec)
  • propozycja: automatyczna konfiguracja usług i wykrywanie urządzeń w sieci lokalnej: Avahi (oraz którko: samba, upnp).

Ćwiczenia:

Ćwiczenia polegają na uruchamianiu, modyfikacji i testowaniu programów i skryptów realizujących poszczególne use-case-y.