【原創】xenomai內核解析–實時IPC概述

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目錄

1.概述

Linux系統中常見的進程間通訊方式有管道、FIFO、共享記憶體、訊號、套接字等方式。但在xenomai內核加入後，一個實時任務與非實時（普通Linux任務，如人機交互應用）之間該如何通訊？

雖然xenomai任務本身也是一個linux任務，能夠無障礙地使用linux提供的進程間通訊方式，但是當實時任務調用這些服務介面的時候會觸發任務遷移，遷移到linux核，由linux接管調度並提供服務，Linux內核本身就只是軟實時內核，這樣必然會嚴重影響了xenomai實時任務實時性。

實時任務除了可以使用Linux的進程間通訊外(當然不建議使用)，xenomai也提供了針對實時任務的進程間通訊方式(Real-time IPC),其中包含一種跨域通訊方式—XDDP（cross-domain datagram protocol跨域數據報協議）。

2.Real-time IPC

RTIPC以RTDM（實時設備驅動模型）下的Protocol Devices來實現，根據進程間通訊情況不同，rtipc提供三種進程間通訊：

  • XDDP，跨域數據報協議，實時與普通Linux任務之間的通訊(RT<->non-RT),實時Xenomai執行緒和常規Linux執行緒通訊時使用，實時任務端不會離開head域，這樣就不會影響到實時任務的實時性。
  • IDDP，實時域內數據報協議，實時任務之間的通訊(RT<->RT)，IDDP協議使實時執行緒可以通過套接字端點在Xenomai域內交換數據報。
  • BUFP,緩衝區協議，實時任務間批量數據通訊（RT<->RT），所有寫入的消息均按照嚴格的FIFO順序緩衝到單個存儲區中，直到被使用者讀取為止。

rtipc-arch

當然，並不是說有了RTIPC,xenomai內核就沒有其它通訊方式了，其實大部分posix標準通訊方式xenoma內核均有實現，僅用於實時任務間，如：訊號量(sem)、消息隊列(mq)、xddp/bufp/iddp、事件(event)、條件變數(cond)….，至於它們的內核實現，與RTIPC不同，可以關注本部落格後續文章。

2.內核配置

由於RTIPC以實時內核驅動模組的形式來實現，所以要使用RTIPC,就得在內核構建編譯的時候配置，如下：

Xenomai/cobalt  --->
	Drivers  --->
		Real-time IPC drivers  ---> 
			<*> RTIPC protocol family                                                     
                   [*]   XDDP cross-domain datagram protocol                             
                   [*]   IDDP intra-domain datagram protocol
                   (32)    Number of IDDP communication ports
                   [*]   Buffer protocol 
  				   (32)    Number of BUFP communication ports

3.應用編程介面

實時應用通過套接字來使用RTIPC，雖然介面與普通套接字介面一樣，但是參數需要根據xenomai提供的參數來使用，下面為官方文檔簡單直譯。

socket()

​ 創建套接字。

#include <rtdm/ipc.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

參數：

domain：AF_RTIPC地址族；

type:套接字類型,SOCK_DGRAM(其餘無效)

protocol：

  • IPCPROTO_XDDP、IPCPROTO_IDDP 、IPCPROTO_BUFP 、IPCPROTO_IPC 默認協議(IPCPROTO_IDDP)。

返回值：

​ 返回一個套接字，出錯：除了用於socket(2)的標準錯誤程式碼外，還可能返回以下特定錯誤程式碼：

  • ENOPROTOOPT（協議是已知的，但未在RTIPC驅動程式中進行編譯）。

close()

​ 關閉一個套接字。

int 	close  (int sockfd)

當套接字關閉並返回錯誤時，將解除阻塞在sendmsg或recvmsg的阻塞。

setsockopt()

設置套接字選項。

#include <rtdm/ipc.h>
int setsockopt(int 	sockfd,
    int 	level,
    int 	optname,
    const void * 	optval,
    socklen_t 	optlen 
)

針對XDDP套接字選項說明及參數配置如下：

  • XDDP_LABEL：設置XDDP埠標籤。設定XDDP埠的ASCII字元串名稱，設定後在非實時端，可通過設備名稱（/proc/xenomai/registry/rtipc/xddp/%s）來打開通訊端點，而不是用設備路徑名（/dev/rtpN）
    • level ： SOL_XDDP
    • optname：XDDP_LABEL
    • optval：rtipc_port_label指針
    • optlen：sizeof(struct rtipc_port_label)
struct rtipc_port_label {
	/** 埠標籤字元串，以null結尾。 */
	char label[XNOBJECT_NAME_LEN];
};

  • XDDP_POLLSZ:XDDP本地記憶體池大小配置。默認情況下，傳輸數據所需的記憶體是從xenomai的系統記憶體池中提取的，設定本地池大小會覆蓋默認大小。如果配置了非零大小，則在bind時才進行分配實際記憶體。 該池將為未決數據提供存儲。綁定套接字後，不允許配置本地池大小。 但是，綁定之前允許進行多個配置調用。 將使用最後設置的值。

    • level ： SOL_XDDP
    • optname：XDDP_POLLSZ
    • optval：指向類型為size_t的變數的指針，該變數表示綁定時保留的本地池大小,單位：位元組。
    • optlen：sizeof(size_tl)

  • XDDP_BUFSZ :XDDP流緩衝區大小配置。除了發送數據報外，實時執行緒還可以通過埠以面向位元組的模式傳輸數據。為套接字設置非零緩衝區大小時，啟用此功能。這樣，當任何發送函數使用MSG_MORE標誌時，實時數據會累積到流緩衝區中，發生以下情況時緩衝區數據會被發送出去：

  • Linux域中接收器被喚醒接收數據，

    • 不同的源埠嘗試將數據發送到相同的目標埠，

  • 發送標誌中沒有MSG_MORE，

  • 緩衝區已滿。（以先到者為準）。

將* optval設置為0將禁用流緩衝區，在這種情況下，所有發送都將在單獨的數據報中傳輸，而與MSG_MORE無關。

注意：每個套接字只有一個流緩衝區。當該緩衝區滿時，實時數據將停止積累，並且僅在數據報模式恢複發送操作。從Linux域端點消耗了流緩衝區中的部分或全部數據之後，可能會再次發生累積。在套接字生存期中，可以多次調整流緩衝區的大小；在刷新前一個緩衝區後恢復累積時，最新的配置更改將生效。

    • level ： SOL_XDDP
    • optname：XDDP_BUFSZ
    • optval：指向類型為size_t的變數的指針，該變數表示綁定時保留的本地池大小,單位：位元組。
    • optlen：sizeof(size_t)

  • XDDP_MONITOR:XDDP監視回調。對套接字安插用戶定義的回調函數，以便收集通道上發生的特定事件。此機制對於在執行其他任務時非同步監視通道特別有用。僅適用於內核空間任務。

    • level ： SOL_XDDP

    • optname：XDDP_MONITOR

    • optval：指向類型為int (*)(int fd, int event, long arg)的函數的指針，其中包含用戶定義的回調函數的地址。在optval中傳遞NULL回調指針將禁用該功能。

    • optlen：sizeof(size_t)

針對IDDP套接字選項說明及參數配置如下：

  • IDDP_LABEL：設置IDDP埠標籤。設定IDDP埠的ASCII字元串名稱，以便使用比數字埠更具描述性的方式來與套接字連接。設置label後，標籤將在bind()時註冊，在bind()前可多次設置，bind()前的最後一次設置生效。
    • level ： SOL_IDDP
    • optname：IDDP_LABEL
    • optval：rtipc_port_label指針
    • optlen：sizeof(struct rtipc_port_label)
struct rtipc_port_label {
	/** 埠標籤字元串，以null結尾。 */
	char label[XNOBJECT_NAME_LEN];
};
  • **IDDP_POOLSZ **:配置IDDP本地記憶體池大小。默認情況下，傳輸數據所需的記憶體是從xenomai的系統記憶體池中提取的，設定本地池大小會覆蓋默認大小。如果配置了非零大小，則在bind時才進行分配實際記憶體。傳輸數據佔用的記憶體將從該池內分配。綁定套接字後，不允許配置本地池大小。 但是，綁定之前允許進行多個配置調用。 將使用最後設置的值。
  • level ： SOL_IDDP
    • optname：IDDP_POLLSZ
    • optval：指向類型為size_t的變數的指針，該變數表示綁定時保留的本地池大小,單位：位元組。`
    • optlen：sizeof(size_tl)

針對BUFP套接字選項說明及參數配置如下：

  • BUFP_BUFSZ:配置BUFP緩衝區大小，寫入BUFP的數據都被緩衝在每個套接字的存儲區域中，必須配置該大小。綁定套接字後，不允許配置本地池大小。 但是，綁定之前允許進行多個配置調用。 將使用最後設置的值。

    • level ： SOL_BUFP
    • optname：BUFP_BUFSZ
    • optval：指向類型為size_t的變數的指針，該變數表示綁定時保留的本地池大小,單位：位元組。`
    • optlen：sizeof(size_tl)

  • BUFP_LABEL：設置BUFP埠標籤。以便以比使用普通數字埠值更具描述性的方式來連接套接字。

    綁定套接字後，不允許分配標籤。 但是，在綁定之前允許多次分配調用。 最後一個標籤集將被使用。

bind()

綁定一個RTIPC socket到一個埠。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr_ipc *addr, socklen_t addrlen)

將套接字綁定到目標埠。

  • sockfd：套接字文件描述符。

  • addr:綁定套接字的地址（請參見struct sockaddr_ipc）。 該地址的含義取決於套接字所使用的RTIPC協議：

    • IPCPROTO_XDDP

    sipc_family:必須是AF_RTIPC，sipc_port為-1或者0到CONFIG_XENO_OPT_PIPE_NRDEV-1之間的有效空閑埠號。如果sipc_port為-1,bind將自動為其分配一個空閑埠。

    成功後，將為該通訊通道保留偽設備/dev /rtpN，其中N是分配的埠號。 非實時端應打開此設備以通過綁定的套接字交換數據。

    如果使用了label，非實時通過偽設備/proc/xenomai/registry/rtipc/xddp/label來與實時通訊。

    • IPCPROTO_IDDP

    sipc_family:必須是AF_RTIPC，sipc_port為-1或者0到CONFIG_XENO_OPT_IDDP_NRPORT-1之間的有效空閑埠號。如果sipc_port為-1,bind將自動為其分配一個空閑埠。

    • IPCPROTO_BUFP

    sipc_family:必須是AF_RTIPC，sipc_port為-1或者0到CONFIG_XENO_OPT_BUFP_NRPORT-1之間的有效空閑埠號。如果sipc_port為-1,bind將自動為其分配一個空閑埠。

  • addrlen:addr指向的結構體大小。

sendto()與recvfrom()

數據發送與接收。

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

參數：

sockfd:socket()創建的套接字.

buf:發送/接收的數據；

len:發送/接收的數據長度；

flags:MSG_MORE發送標誌位，將帶有該標誌的數據包累積到緩衝區，而不是立即發出數據報，僅用於XDDP協議。

recvmsg()與sendmsg()

數據發送與接收。recvmsg()能做所有read()、sendto()能做到的事，同樣sendmsg()能做所有read()、sendto()能做到的事，具體使用方法查閱Linux相關資料。

recvmsg()從RTIPC套接字接收消息。

#include <rtdm/ipc.h>
struct msghdr {
               void         *msg_name;       /* optional address */
               socklen_t     msg_namelen;    /* size of address */
               struct iovec *msg_iov;        /* scatter/gather array */
               size_t        msg_iovlen;     /* # elements in msg_iov */
               void         *msg_control;    /* ancillary data, see below */
               size_t        msg_controllen; /* ancillary data buffer len */
               int           msg_flags;      /* flags (unused) */
           };

ssize_t 	recvmsg (int sockfd, struct msghdr *msg, int flags)

參數：

sockfd: socket()創建的套接字。

msg：消息頭將被複制到該地址，具體查閱資料。

flasgs:MSG_DONTWAIT 非阻塞操作，如果沒有消息可接收時，不會阻塞，立即返回EWOULDBLOCK，只有實時應用能使用該標誌。

sendmsg()在RTIPC套接字上發送消息

#include <rtdm/ipc.h>
ssize_t 	sendmsg (int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags)

參數：

sockfd: socket()創建的套接字。

msg：傳達數據報的消息頭的地址，，具體查閱資料。

flasgs:MSG_OOB給發送帶外消息；（帶外數據：允許發送端將傳送的數據標記為高優先順序）。

MSG_DONTWAIT 非阻塞操作，當無法立即發送消息時（如記憶體不足），不會阻塞，而是立即返回EWOULDBLOCK。

MSG_MORE發送前先累積數據到緩衝區，而不是立即發出數據報，僅用於IPCPROTO_XDDP協議。只有實時應用能使用該標誌。

4.實時與非實時間通訊XDDP示例

IPCPROTO_XDDP:跨域數據報協議(RT<->NRT),實時Xenomai執行緒和常規Linux執行緒通訊時使用，linux端通過read()、write()讀寫/dev/rtp <minor>來通訊，Xenomai端通過套接字recvfrom()或read()來接收數據，sendto()或write()來發送數據。

xddp-ipc

XDDP應用示例：

一個LLinux任務與一個實時任務使用XDDP進行通訊，實時任務向Linux任務發送消息，Linux任務收到後原樣發送出去，實時任務將收到的消息顯示出來（xenomai示例：xenomai3.0.8\demo\posix\cobalt\xddp-echo.c）。

對於linux可通過打開固定rtipc埠的設備節點來與實時任務固定埠通訊，這個埠是全局的，被使用了另一個實時任務就無法再使用。另一種方式是設置XDDP埠標籤。實時程式設定XDDP埠的ASCII字元串名稱，設定後在非實時端，可通過設備名稱（/proc/xenomai/registry/rtipc/xddp/%s）來打開通訊端點，而不是用設備路徑名（/dev/rtpN），其中的埠xenomai會自動分配。（xenomai示例：xenomai3.0.8\demo\posix\cobalt\xddp-label.c）

同一系統的兩種方式盡量不要混合使用，不然會發生如下情況，程式1使用XDDP埠標籤配置了XDDP socket，此bind時系統為該socket分配的是埠1，接著另一個程式2開始創建另一個XDDP socket，由於指定了用端0來通訊，但該埠已經被程式1佔用，就會綁定埠失敗，導致程式無法正常運行。下面例子使用固定埠通訊：

使用帶緩衝區方式與非實時應用通訊，使用埠0，實時端：

#define XDDP_PORT 0	 /*通訊埠0*/
.....
/*1.創建一個XDDP（rt<->nrt）通訊socket，AF_RTIPC、SOCK_DGRAM為固定參數*/
    s = socket(AF_RTIPC, SOCK_DGRAM, IPCPROTO_XDDP);
    if (s < 0) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
/*2.配置socket s為流緩衝通訊，緩衝區大小為1KB,設置為零將禁用流緩衝，每次數據發送將單獨傳輸*/
	streamsz = 1024; /* bytes */
	ret = setsockopt(s, SOL_XDDP, XDDP_BUFSZ, &streamsz, sizeof(streamsz));
	if (ret)
		fail("setsockopt");

/*3.將套接字s綁定到埠0*/
	memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));
	saddr.sipc_family = AF_RTIPC;  //固定參數
	saddr.sipc_port = XDDP_PORT;   //埠0  對應非實時讀寫的設備節點/dev/rtp0
	ret = bind(s, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));

for (;;) {
    /*4.發送*/
    for (b = 0; b < len; b++) {
        /*MSG_MORE表示：一位元組一位元組的將數據存到緩衝區*/
		ret = sendto(s, msg[n] + b, 1, MSG_MORE, NULL, 0);
        if (ret != 1)
				fail("sendto");
  /*如果不使用MSG_MORE，每個字母將作為一個數據包。Linux端段每次讀取只能讀取到一個字母，且符合FIFO*/
        ret = sendto(s, msg[n] + b, 1, 0, NULL, 0);
		if (ret != 1)
				fail("sendto");
	}
     /*4.接收數據*/
    ret = recvfrom(s, buf, sizeof(buf), 0, NULL, 0);
    if (ret <= 0)
        fail("recvfrom");
}
/* 5.關閉套接字*/
close(s);

非實時端：

#define _GNU_SOURCE   /*使用asprintf()函數需要該宏*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define XDDP_PORT 0	/*通訊埠0*/
    char buf[128],*devname;
    if (asprintf(&devname, "/dev/rtp%d", XDDP_PORT) < 0)/* /dev/rtp0 */
            fail("asprintf");

    /*1.打開設備 /dev/rtp0*/
    fd = open(devname, O_RDWR);
    free(devname);

    for (;;) {
    /*2.讀/dev/rtp0*/
        ret = read(fd, buf, sizeof(buf));
        if (ret <= 0)
            fail("read");

   /*3.寫/dev/rtp0來發送數據*/
        ret = write(fd, buf, ret);
        if (ret <= 0)
            fail("write");
    }
    close(fd);
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