1.1 I-pipe与Xenomai

Interrupt Pipeline系列文章大纲-优快云博客

        如何提高Linux的实时性？有两种思路。

       第一种，对Linux内核的内部进行实时改造，尽可能减少内核不可抢占的代码。最知名的是PREEMPT_RT补丁集，在2015年成为Linux Foundation的正式项目“Real Time Linux Collaborative Project”。

       第二种，采用双内核的办法，在硬件之上运行一个实时内核，把Linux内核当成的实时内核的一个普通的进程，其代表有RTLinux、RTAI和Xenomai。

       Xenomai由Philippe Gerum在2001年发起。RTLinux既有商业版RTLinux/Pro也有社区版RTLinux/Free，申请了双内核相关专利。为了绕过RTLinux的专利，Philippe选择ADEOS作为解决方案。ADEOS来自于卡里姆Karim Yaghmour的论文《Adaptive Domain Environment for Operating Systems》。Philippe Gerum和Karim Yaghmour是《构建嵌入式LINUX系统》的共同作者。Xenomai曾在2003~2004与RTAI一起合作，开发了RTAI/fusion项目，后来在2005年Xenomai独立发展。Xenomai和RTAI分开后，二者对ADEOS的使用有所不同。Xenomai让ADEOS完全控制中断，然后分发给实时内核和Linux内核；而RTAI直接处理感兴趣的中断，把不感兴趣的中断透过ADEOS传给Linux。理论上RTAI实时性更强。但是RTAI更新速度比较慢，最新的版本是2021/5/19发布的RTAI 5.3，适配Linux 4.19，主页上宣称支持的硬件是x86和x86_64，对ARM的支持处于rework中。反观Xenomai，支持x86、x86_64、PowerPC/32、ARM、ARM64等硬件，社区活跃，版本从Xenomai2迭代到了Xenomai4。

       Xenomai2目前已经EOL，Xenomai4比较新，而Xenomai3比较稳定，处于长期维护中，应该是当前使用比较广泛的版本。这里重点学习Xenomai3.2.1版本。

       Xenomai3由两大部分构成：ADEOS和实时内核Cobalt。

       ADEOS的设计目标，是为了让多个操作系统可以共享同一套系统硬件。每个操作系统在自身的操作系统域中运行，分为两类。第一类操作系统，感知不到ADEOS的存在，只接收来自ADEOS的中断；第二类操作系统，知道ADEOS的存在，不仅接收来自ADEOS的中断，还主动与ADEOS交互。

        ADEOS提出了Interrupt pipeline中断流水线的方法，可以让硬件中断在多个操作系统域中传递。先拿到中断的操作系统域，意味着有更高的优先级运行。操作系统必须找到一种方式，实现对中断的关闭与打开操作，也称为stall/unstall操做。

       Xenomai3中实现的ADEOS与原论文中的有不同点：

• Xenomai3 ADEOS仅支持2个操作系统域：Linux域（root域）和Cobalt域（head域）。
• Linux域和Cobalt域都属于第一类操作系统，感知不到ADEOS的存在，只接收来自ADEOS的中断。Cobalt域优先接收并处理中断。
• 原论文中，以x86架构为例，通过把Linux内核从Ring0移动到Ring1，来完成Linux对中断的关闭(stall)/打开(unstall)操作。Xenomai 3 ADEOS采取了另一篇论文《Fast Interrupt Priority Management in OS Kernels》的思想，通过virtual interrupt flag来完成Linux对中断的关闭(stall)/打开(unstall)操作。

        也许正是因为这些不同点，Xenomai3 ADEOS的项目名称并不是ADEOS，而是ipipe。以ARM64架构为例，代码仓库为：xenomai / ipipe-arm64 · GitLab。在代码仓中，Documentation/ipipe.rst描述了设计思想和基本框架。

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资料：

Adaptive Domain Environment for Operating Systems

Fast Interrupt Priority Management in OS Kernels

[开源名人访谈录] Philippe Gerum