EtherCAT是一種由Beckhoff開發的開放實時以太網技術，廣泛用于對精度和實時性要求較高的運動控制設備和采集設備中。

由于我們處于特殊的位置，使我們在推廣EtherCAT主站協議棧的過程中，我們經常會圍繞實時Linux系統與客戶展開討論。根據EtherCAT主站提供商Acontis公司對全球新客戶統計，選擇實時Linux系統的客戶比重在過去10年逐年增加。2019年新客戶中采用實時Linux作為控制器操作系統已超過60%。

從近幾年的經驗中，對于實時Linux系統主要聚焦在采用RT-Preempt 還是Xenomai的爭論上。結合實時Linux系統專家Jan Altenberg在Embedded Linux會議上的講演。整理出此文，希望可以在RT-Preempt 和Xenomai之間選擇做出參考。

實時性

在和客戶的交流過程，部分工程師會把實時性與執行速度或性能相混淆。Altenberg在講演中強調：實時性與執行速度和性能無關！

實時性的含義不是越快越好，而是在規定的時間內完成任務的確定性（determinismand timing guarantees）。

在技術討論中，同樣客戶對EtherCAT協議不存在錯誤數據自動重傳機制有類似疑問。

EtherCAT主站的工作原理是按循環周期發送數據。所以EtherCAT在協議層面不會自動在后續周期重新發送失敗的過程數據。

在Embedded Linux會議講演中，Altenberg還表述了一個有趣的觀點，他希望大家忘掉“軟實時”即Softrealtime 的提法，只存在實時和非實時的、確定性和非確定性的區別。能保證確定性，那就是“硬實時” hardrealtime。

Xenomai和Preempt RT

目前，對實時Linux方案的選擇集中在Xenomai和Preempt RT之間。Xenomai是在LinuxKernel外增加獨立內核的雙內核方案，而Preempt RT是標準的單內核實時方案。

圖1是Xenomai為代表的雙內核方案的原理圖：

圖1 Xenomai原理圖

Altenberg認為雙內核實時方案有幾個明顯不足。首先，維護工作量大。其次，Xenomai不能使用標準C庫，實時應用的開發需要特殊庫以及單獨的API。

主流的實時Linux方案是基于Preempt RT 的單內核方案，通過最大限度地提高Linux內核中的可搶占部分，使Linux本身具備實時性。如圖2 Premept RT原理圖所示：

圖2Preempt RT原理圖

大約80%的PreemptRT功能已經融合進Linux主線，所以任何Linux開發者都可以使用Preempt RT的Linux 內核組件。

隨著剩下的20%功能逐漸融入Linux主線，未來有可能不需要在Linux安裝補丁程序而直接使用Preempt RT。

性能比較

實時性能最重要的指標是延時。網上有不少文章，表示Xenomai在延遲方面有優勢。Altenberg并不認同這種觀點，他認為是對Preempt RT的錯誤配置造成的。

為了證實，他們的團隊分別找Xenomai和Preempt RT專家，在相同的硬件上進行測試。測試對象是高負載下Xenomai和Preempt RT在延時Latency和抖動Jitter的表現整個測試程序運行12個小時。

Altenberg強調了兩點，第一是測試的最壞結果才有意義；另外一點是系統拿到中斷后，在用戶空間的應用響應延時是對應用最有意義的。

在用戶空間的測試結果，在測試中的最壞延時，Xenomai和 Preempt RT都在90-95 微秒左右。當在Linux系統中只使用單核測試時，PREEMPT RT最壞的延時只有大約80微秒，結果優于Xenomai。

在Kernel空間延時的測試結果，Xenomai最高延時在30微秒，單核運行Preempt RT的最高延時60微秒。如果使用FIQ 快速中斷的話，Preempt RT的最壞延時也達到30微秒，平均延時甚至到達10微秒。

最終，對于開發人員最有意義的用戶空間內最壞延時方面，兩種實時方案在該性能指標上展示出近乎相同的數據。

但是Preempt RT幾乎已經和Linux內核主線合并，從系統的開發和維護角度，Preempt RT的工作量與標準Linux相同。這使Preempt RT與Xenomai相比具備更多優勢。

審核編輯 ：李倩