Benchmark and comparison of realtime solutions based on ...
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Diploma thesis
’Benchmark and comparison of real-time
solutions based on embedded Linux’
Submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of
’Diplom Ingenieur (FH) der technischen Informatik’
at Hochschule Ulm
Peter Feuerer
July 30, 2007
Caretaker:
HS Ulm: Prof. Dr.- Ing. Schied
Yellowstone-Soft: Dipl.- Ing. Betz . Preface
Eigenst¨andigkeitserkl¨arung (German)
Ich versichere, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbst¨andig angefertigt, nicht ander-
weitig fu¨r Pruf¨ ungszwecke vorgelegt, alle benutzten Quellen und Hilfsmittel angegeben sowie
w¨ortliche und sinngem¨aße Zitate als solche gekennzeichnet habe.
............................................
Ort, Datum, Unterschrift
I Abstract
Thisdiplomathesisgivesanoverviewaboutcurrentavailablereal-timeLinuxapproachesand
deals with creation of a test environment to compare them to each other. The comparison
is done with an abstraction layer as a standardized base and includes qualitative as well as
quantitative benchmarks.
Furthermore every benchmark aims to give reproducible results from a very practical point
of view. Thus the outcome of the benchmarks can be directly used by clients who order a
real-time embedded system for choosing the platform which fits best their needs.
Acknowledgments
I want to thank all people who made this diploma thesis possible, while my special thanks go
to:
My family and friends for supporting me in any matter and for assisting by word and deed
in stressful days.
Prof. Dr.- ...
Voir
’Benchmark and comparison of real-time
solutions based on embedded Linux’
Submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of
’Diplom Ingenieur (FH) der technischen Informatik’
at Hochschule Ulm
Peter Feuerer
July 30, 2007
Caretaker:
HS Ulm: Prof. Dr.- Ing. Schied
Yellowstone-Soft: Dipl.- Ing. Betz . Preface
Eigenst¨andigkeitserkl¨arung (German)
Ich versichere, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbst¨andig angefertigt, nicht ander-
weitig fu¨r Pruf¨ ungszwecke vorgelegt, alle benutzten Quellen und Hilfsmittel angegeben sowie
w¨ortliche und sinngem¨aße Zitate als solche gekennzeichnet habe.
............................................
Ort, Datum, Unterschrift
I Abstract
Thisdiplomathesisgivesanoverviewaboutcurrentavailablereal-timeLinuxapproachesand
deals with creation of a test environment to compare them to each other. The comparison
is done with an abstraction layer as a standardized base and includes qualitative as well as
quantitative benchmarks.
Furthermore every benchmark aims to give reproducible results from a very practical point
of view. Thus the outcome of the benchmarks can be directly used by clients who order a
real-time embedded system for choosing the platform which fits best their needs.
Acknowledgments
I want to thank all people who made this diploma thesis possible, while my special thanks go
to:
My family and friends for supporting me in any matter and for assisting by word and deed
in stressful days.
Prof. Dr.- ...
Diploma thesis
’Benchmark and comparison of real-time
solutions based on embedded Linux’
Submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of
’Diplom Ingenieur (FH) der technischen Informatik’
at Hochschule Ulm
Peter Feuerer
July 30, 2007
Caretaker:
HS Ulm: Prof. Dr.- Ing. Schied
Yellowstone-Soft: Dipl.- Ing. Betz . Preface
Eigenst¨andigkeitserkl¨arung (German)
Ich versichere, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbst¨andig angefertigt, nicht ander-
weitig fu¨r Pruf¨ ungszwecke vorgelegt, alle benutzten Quellen und Hilfsmittel angegeben sowie
w¨ortliche und sinngem¨aße Zitate als solche gekennzeichnet habe.
............................................
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I Abstract
Thisdiplomathesisgivesanoverviewaboutcurrentavailablereal-timeLinuxapproachesand
deals with creation of a test environment to compare them to each other. The comparison
is done with an abstraction layer as a standardized base and includes qualitative as well as
quantitative benchmarks.
Furthermore every benchmark aims to give reproducible results from a very practical point
of view. Thus the outcome of the benchmarks can be directly used by clients who order a
real-time embedded system for choosing the platform which fits best their needs.
Acknowledgments
I want to thank all people who made this diploma thesis possible, while my special thanks go
to:
My family and friends for supporting me in any matter and for assisting by word and deed
in stressful days.
Prof. Dr.- Ing. Schied forsupervisingmewhilecreationofthediplomathesisandforgiving
helpful hints to improve the documentation.
Dipl.- Ing. Betz for supervising and offering technical experience and knowledge which was
important for finishing this thesis.
Patrick Reinwald for giving support for the PowerPC architecture.
Linux community for working so hard on the open source operating system, the real-time
approaches and its components. Many thanks to Bernhard Kuhn, Thomas Gleixner,
Wolfgang Denk, Wolfgang Grandegger and many more who responded to my emails
and helped to get the things working.
II Contents
Preface I
1. Introduction 1
1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. About the document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. State of the art 3
2.1. Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. Real-time solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2.1. Rtai-Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2. Xenomai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.3. Real-time Preemption Patch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3. Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1. Intel x86. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2. ARM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.3. PowerPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4. Measurement hardware - Meilhaus Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5.1. ORF - Open Realtime Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5.2. SofCoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.3. Coryo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3. Preparations 19
3.1. Linux development environment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2. Windows development environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3. Toolchain installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.1. Intel x86 toolchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.2. ARM toolchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.3. PowerPC toolchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4. Target setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.1. Intel x86 target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.2. ARM target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.3. PowerPC target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5. ORF implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5.1. Dynamical loaded libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.2. Character devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.3. I/O-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.4. Interrupt handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
III Contents
4. Benchmarks 51
4.1. Interrupt latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.1. ORF integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.2. Scope implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2. Jitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.1. ORF integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.2. Scope implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3. Maximal frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1. ORF integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.2. Scope implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4. Inter-process communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.1. ORF integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5. Overload behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5.1. ORF integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5.2. Scope implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6. Priority functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6.1. ORF integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6.2. Scope implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5. Results 73
5.1. Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2. Interrupt latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3. Inter process communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4. Jitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5. Overload. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.6. Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6. Conclusion 81
A. Bibliography 83
B. Glossary 87
C. Listings 89
D. License 93
IV List of Figures
2.1. Utility / costs - function of hard real-time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2. Utility / costs - of softe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3. Rtai Linux architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4. Kernel preemption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5. Kontron - embedded Geode system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6. Incostartec’s ep9315 distribution board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7. Frenco’s MEG32 embedded system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.8. Meilhaus Mephisto Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.9. ORF as an abstraction layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.10. ORF’s architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.11. Coryo user interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.12. OrfCoS user interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1. User interface of wxDev-C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2. Principle x86 toolchain architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3. Loading and unloading shared objects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4. Flowchart of changes to enable dynamical loaded libraries . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5. Communication between user-space and ORF using character devices . . . . . . . . . . . 42
3.6. Calls of I/O-API functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.7. Interrupt device approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.8. In thread approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.9. Interrupt handling - modifications to thread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.10. In handling - mo to RProg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1. Interrupt latency scope graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2. Flowchart, scope implementation of interrupt latency measurement . . . . . . . . . . . . 54
4.3. Jitter scope graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4. Control flow of jitter implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.5. Scope graph of frequency benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.6. Control flow of the frequency benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.7. Flow diagram of the echo test function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.8. Principle graph of overload test 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.9. Principle graph of overload test 2 . . .
