RT-Thread、RT-Linux，Zephyr的實時性對比

嵌入式大雜燴

RT-Thread
在工業(yè)領域、高安全高可靠性領域，實時操作系統(tǒng)在其中發(fā)揮著重要的作用，從毫秒級，微秒級實時響應，決定著裝置系統(tǒng)能滿足何種嚴苛的要求。

RT-Thread Smart操作系統(tǒng)是一套基于RT-Thread內核，并具備POSIX用戶態(tài)運行環(huán)境的高性能實時操作系統(tǒng)。它類似Linux、Windows的架構，具備用戶態(tài)和內核態(tài)（并相分離），用戶態(tài)具備全地址空間（進程模型），啟用了A核芯片中的MMU，多級頁表，實現(xiàn)了在A核SoC大芯片上的實時控制系統(tǒng)。

RT-Thread Smart在具備POSIX用戶態(tài)運行環(huán)境后，其實時性如何，和一般的RTOS相比，和通用的帶實時補丁Linux操作系統(tǒng)相比，它的實時性能力到底如何。希望通過本文的測試給到大家一個對比認識。
測試平臺

所有測試基于相同的一塊瑞芯微 RK3566開發(fā)板，RK3566攜帶四核 64 位高性能 ARM Cortex-A55 處理器，主頻 1.8GHz，4GB LPDDR4X 內存。


RT-Thread 內核基于開源主線倉庫 master 分支，平臺 SDK 基于 RT-Thread Smart 專業(yè)版本，使用 gcc 工具鏈，優(yōu)化等級 O2。

Linux-RT 內核版本基于 linux-orangepi 倉庫 orange-pi-5.10-rk35xx-rt 分支，5.10內核版本并已經開啟了實時補丁選項。

Zephyr內核版本基于開源主線倉庫master分支，commit:7a492d308828b928074816c49d38de18b4dcfbb4， 編譯優(yōu)化等級通過 Kconfig 配置為 O2。

RTOS 實時性能測試工具
首先是傳統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)測試對比，對比的另一實時操作系統(tǒng)選擇的是Zephyr實時操作系統(tǒng)，都運行在4核SMP模式下進行測試。本次測試工具選擇相同的測試用例代碼，用于衡量不同的壓力負載下的 RTOS 綜合實時性能指標。
指標由以下三個部分構成：中斷響應時延 + 異步通知時延 + 實時任務調度時延。這三個部分加起來的時間越短越好，同時多次測量的值分布越集中越好。

測試用例實現(xiàn)方式是在一個實時任務上通過高精度定時器設定一個時延，并掛起該任務。在中斷到來時，通過同步原語通知實時任務異步事件到來，并喚醒。然后計算這段時間相對于期望時延的差值，得到這期間的時延數據。通過多次采樣，施加不同的壓力負載，獲得 RTOS 在不同情況下的實時性能指標情況。壓力負載則模擬 cpu、中斷響應、訪存操作。

RTOS 實時性測試結果對比

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測試分成了4種情況：
● 無壓力負載時測試數據，類似于其他都不運行，而是空跑；
● CPU計算負荷下的測試數據，使用 Dhrystone 測試 CPU 負載，它是一種典型的整數運算基準程序，用于模擬高強度的計算場景，以評估系統(tǒng)在繁忙時的實時響應能力。
● IO/中斷負荷下的測試數據，通過 IPI（Inter-Processor Interrupts）生成大量中斷請求，測試系統(tǒng)在執(zhí)行 IO 操作處理高頻中斷場景下的實時性能。
● 內存負荷下的測試數據，使用 MBW 測試工具進行內存帶寬壓力測試，模擬大規(guī)模數據傳輸的場景，考察系統(tǒng)在內存資源緊張時的實時響應情況。
通過上述結果可以發(fā)現(xiàn)：RT-Thread Smart基本指標在2.4us的延遲，當IO/中斷，CPU計算負荷，內存負荷上去時，最大延遲會上升到8us附近。而Zephyr實時操作系統(tǒng)在一些極限點上延遲會到15us，甚至略顯夸張的525us（還好不是1ms?）。
cyclictest測試
cyclictest是Linux上非常流行、常見的實時性測試工具，它通過使用高精度定時器來測量兩個時間點的延時：


cyclictest 源碼來自項目 rt-tests release v1.0，參考官方 wiki ：
https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/documentation/howto/tools/cyclictest/start
它編譯出來是一份用戶態(tài)測試程序，這份代碼在Linux，RT-Thread Smart上都不需要進行修改，直接通過gcc交叉工具鏈采用O2優(yōu)化選項進行編譯即可。
Linux 測試使用命令：cyclictest -p 95 -d 0 -i 1000 -D 10m -m -n --histogram=100
rt-smart 測試使用命令：cyclictest -d 0 -i 1000 -D 10m -m -n --histogram=20（Linux 優(yōu)先級規(guī)則與 rt-thread 不同，保證 cyclictest 是系統(tǒng)中最高優(yōu)先級任務即可）
cpu 負載：在后臺啟動 dhrystone 任務。通過 top 命令觀察，每個核啟動一個時 cpu 占用率峰值可以達到 99.7% 以上。
內存負載：執(zhí)行 cyclictest 測試的同時，運行 mbw 任務模擬高內存負載環(huán)境。
IO 負載：執(zhí)行 cyclictest 測試的同時，運行 iperf 服務，并連接客戶端測試，以此模擬高網絡（IO）負載環(huán)境。
cyclic 測試指標對比


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上述是兩份對比圖，前面的是cyclictest的min/avg/max對比圖�？梢钥吹絉T-Thread Smart的實時性表現(xiàn)都比較好，max值在11/12us左右，在內存負載的情況下max值會到30+us。
下面的圖則是時延數據的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)相對于 Linux-RT，rt-smart 下的測試指標在各類負載下的重復實驗中基本上都比較集中。因此同為支持到POSIX用戶態(tài)應用程序的RT-Thread Smart操作系統(tǒng)，相比較帶實時補丁的Linux來說，它的實時性優(yōu)勢也是非常明顯，相當于提供POSIX應用程序的同時，依然具備非常好的實時性能力。
性能優(yōu)化是一個持久而漫長的過程，這個其中需要持續(xù)的定位整體系統(tǒng)中的性能損耗點，所以在這個過程中我們也在不斷迭代、追求極致，并加入更有效的手段、工具來輔助定位及解決問題。
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