Real-Time Linux w zastosowaniach przemysłowych

"Real-Time Linux

Linux jest coraz częściej wykorzystywany w aplikacjach wymagających odpowiedzi w czasie rzeczywistym.

Podczas intensywnego kursu, omawiane są wszystkie aspekty dostosowania tego systemu do zastosowań w charakterze sterownika procesu przemysłowego.

Tematyka oparta jest na doświadczeniu trenera w stosowaniu systemu Linux Real-Time do sterowania procesami przemysłowymi takimi, jak: ważenie komponentów, sterowanie syntezą łańcuchów RNA oraz sterowanie - teleoperowanie - robotami do zastosowań specjalnych (EOD UGV)

Czas trwania: 2 dni (16 godzin zegarowych)

Cel szkolenia

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

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.
Realizacja wejścia-wyjścia w systemie Linux, polling i przerwania, Obsługa przerwań,
Wprowadzenie do zagadnień Real-Time - rozwiązania sprzętowe i programowe.
Zastosowanie Linuksa w systemach Real-Time (latency, jitter, worst case, safety critical) - na przykładzie prostej aplikacji sterującej wejściami-wyjściami sterownika,
- pomiary opóźnień przy pomocy narzędzi wewnętrznych i zewnętrznych
  - budowa typowego sterownika (magistrala, frameworki dostępne w jądrze),
  - skąd się biorą opóźnienia - analiza sprzętowych i programowych źródeł opóźnień,
  - 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. 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). Uczestnicy stworzą (z dostarczonych komponentów) i zmodyfikują przykładową aplikację sterownika procesu oraz zbadają wpływ opcji konfiguracji kodu źródłowego jądra i działającego systemu na czas odpowiedzi aplikacji.

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 Linux Real-Time.

kompilacja jądra Linux i uruchomienie go na urządzeniu, zmiana opcji konfiguracji kodu źródłowego jądra,
uruchomienie sterownika realizującego wejście-wyjście (linia GPIO z przerwaniem, linia GPIO - LED).
Ustawienie multipleksacji pin-ów, modyfikacja i rekompilacja Device-Tree.
stworzenie wielowątkowej aplikacji sterownika przemysłowego - dobór odpowiednich narzędzi i bibliotek oraz interfejsów systemowych i ich wpływ na opóźnienia w aplikacji,

Dzień 2. PREEMPT-RT, wzorce projektowe Real-Time, pomiary i profilowanie systemu i aplikacji

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.
Xenomai
- prezentacja alternatywnego podejścia do rozwiązań czasu rzeczywistego w Linuksie (mikrojądro, I-PIPE, interrupt domains)
- RTDM - Real Time Device Model
- IPC in Xenomai
Rozwiązania własnościowe polegające na użyciu dodatkowego mikrokontrolera wbudowanego w SoC (omówienie podejść TI - PRU, NXP i STMicro).
Zagadnienia związane z Safety-Critical i aplikowalności systemów opartych na linuksie do wymagań SIL.

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 a także zaprojektować system i aplikację pod kątem zastosowań w systemach Real-Time.

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.

Praca z kodem,
Kompilacja, uruchomienie aplikacji,
Ustawienie odpowiednich parametrów planisty,
Alokacja i zablokowanie pamięci,
Realizacja wejścia-wyjścia,
Nieblokująca komunikacja pomiędzy procesami,
Pomiary opóźnień.