xenomai内核解析–实时IPC概述

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xenomai内核解析–实时IPC概述

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目录

1.概述

Linux系统中常见的进程间通讯方式有管道、FIFO、共享内存、信号、套接字等方式。但在xenomai内核加入后,一个实时任务与非实时(普通Linux任务,如人机交互应用)之间该如何通讯?

虽然xenomai任务本身也是一个linux任务,能够无障碍地使用linux提供的进程间通讯方式,但是当实时任务调用这些服务接口的时候会触发任务迁移,迁移到linux核,由linux接管调度并提供服务,Linux内核本身就只是软实时内核,这样必然会严重影响了xenomai实时任务实时性。

实时任务除了可以使用Linux的进程间通讯外(当然不建议使用),xenomai也提供了针对实时任务的进程间通讯方式( Real-time IPC ),其中包含一种跨域通讯方式—XDDP(cross-domain datagram protocol跨域数据报协议)。

2.Real-time IPC

RTIPC 以RTDM(实时设备驱动模型)下的 Protocol Devices 来实现,根据进程间通讯情况不同,rtipc提供三种进程间通讯:

  • XDDP ,跨域数据报协议,实时与普通Linux任务之间的通讯 (RT<->non-RT) ,实时Xenomai线程和常规Linux线程通讯时使用,实时任务端不会离开head域,这样就不会影响到实时任务的实时性。
  • IDDP ,实时域内数据报协议,实时任务之间的通讯 (RT<->RT) ,IDDP协议使实时线程可以通过套接字端点在Xenomai域内交换数据报。
  • BUFP ,缓冲区协议,实时任务间批量数据通讯 (RT<->RT) ,所有写入的消息均按照严格的FIFO顺序缓冲到单个存储区中,直到被使用者读取为止。

当然,并不是说有了RTIPC,xenomai内核就没有其它通讯方式了,其实大部分posix标准通讯方式xenoma内核均有实现,仅用于实时任务间,如:信号量(sem)、消息队列(mq)、xddp/bufp/iddp、事件(event)、条件变量(cond)….,至于它们的内核实现,与RTIPC不同,可以关注本博客后续文章。

2.内核配置

由于RTIPC以实时内核驱动模块的形式来实现,所以要使用RTIPC,就得在内核构建编译的时候配置,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.应用编程接口

实时应用通过套接字来使用RTIPC,虽然接口与普通套接字接口一样,但是参数需要根据xenomai提供的参数来使用,下面为 官方文档 简单直译。

socket()

​ 创建套接字。

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

参数:

domain: AF_RTIPC 地址族;

type:套接字类型, SOCK_DGRAM (其余无效)

protocol:

  • IPCPROTO_XDDPIPCPROTO_IDDPIPCPROTO_BUFPIPCPROTO_IPC 默认协议(IPCPROTO_IDDP)

返回值:

​ 返回一个套接字,出错:除了用于socket(2)的标准错误代码外,还可能返回以下特定错误代码:

  • ENOPROTOOPT(协议是已知的,但未在RTIPC驱动程序中进行编译)。

close()

​ 关闭一个套接字。

int 	close  (int sockfd)

当套接字关闭并返回错误时,将解除阻塞在sendmsg或recvmsg的阻塞。

setsockopt()

设置套接字选项。

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

针对 XDDP 套接字选项说明及参数配置如下:

  • XDDP_LABEL :设置XDDP端口标签。设定XDDP端口的ASCII字符串名称,设定后在非实时端,可通过设备名称( /proc/xenomai/registry/rtipc/xddp/%s )来打开通讯端点,而不是用设备路径名( /dev/rtpN
    • levelSOL_XDDP
    • optnameXDDP_LABEL
    • optvalrtipc_port_label 指针
    • optlensizeof(struct rtipc_port_label)
struct rtipc_port_label {
/** 端口标签字符串,以null结尾。 */
char label[XNOBJECT_NAME_LEN];
};
  • XDDP_POLLSZ:XDDP本地内存池大小配置。默认情况下,传输数据所需的内存是从xenomai的系统内存池中提取的,设定本地池大小会覆盖默认大小。如果配置了非零大小,则在bind时才进行分配实际内存。 该池将为未决数据提供存储。绑定套接字后,不允许配置本地池大小。 但是,绑定之前允许进行多个配置调用。 将使用最后设置的值。

    • levelSOL_XDDP
    • optnameXDDP_POLLSZ
    • optval :指向类型为size_t的变量的指针,该变量表示绑定时保留的本地池大小,单位:字节。
    • optlensizeof(size_tl)
  • XDDP_BUFSZ:XDDP流缓冲区大小配置。除了发送数据报外,实时线程还可以通过端口以面向字节的模式传输数据。为套接字设置非零缓冲区大小时,启用此功能。这样,当任何发送函数使用MSG_MORE标志时,实时数据会累积到流缓冲区中,发生以下情况时缓冲区数据会被发送出去:

  • Linux域中接收器被唤醒接收数据,

    • 不同的源端口尝试将数据发送到相同的目标端口,
  • 发送标志中没有MSG_MORE,

  • 缓冲区已满。(以先到者为准)。

* optval 设置为0将禁用流缓冲区,在这种情况下,所有发送都将在单独的数据报中传输,而与 MSG_MORE 无关。

注意:每个套接字只有一个流缓冲区。当该缓冲区满时,实时数据将停止积累,并且仅在数据报模式恢复发送操作。从Linux域端点消耗了流缓冲区中的部分或全部数据之后,可能会再次发生累积。在套接字生存期中,可以多次调整流缓冲区的大小;在刷新前一个缓冲区后恢复累积时,最新的配置更改将生效。

    • levelSOL_XDDP
    • optnameXDDP_BUFSZ
    • optval :指向类型为size_t的变量的指针,该变量表示绑定时保留的本地池大小,单位:字节。
    • optlensizeof(size_t)
  • XDDP_MONITOR:XDDP监视回调。对套接字安插用户定义的回调函数,以便收集通道上发生的特定事件。此机制对于在执行其他任务时异步监视通道特别有用。 仅适用于内核空间任务

    • levelSOL_XDDP

    • optnameXDDP_MONITOR

    • optval :指向类型为int (*)(int fd, int event, long arg)的函数的指针,其中包含用户定义的回调函数的地址。在optval中传递NULL回调指针将禁用该功能。

    • optlensizeof(size_t)

针对 IDDP 套接字选项说明及参数配置如下:

  • IDDP_LABEL :设置IDDP端口标签。设定IDDP端口的ASCII字符串名称,以便使用比数字端口更具描述性的方式来与套接字连接。设置label后,标签将在bind()时注册,在bind()前可多次设置,bind()前的最后一次设置生效。
    • levelSOL_IDDP
    • optnameIDDP_LABEL
    • optvalrtipc_port_label 指针
    • optlensizeof(struct rtipc_port_label)
struct rtipc_port_label {
/** 端口标签字符串,以null结尾。 */
char label[XNOBJECT_NAME_LEN];
};
  • **IDDP_POOLSZ **:配置IDDP本地内存池大小。默认情况下,传输数据所需的内存是从xenomai的系统内存池中提取的,设定本地池大小会覆盖默认大小。如果配置了非零大小,则在bind时才进行分配实际内存。传输数据占用的内存将从该池内分配。绑定套接字后,不允许配置本地池大小。 但是,绑定之前允许进行多个配置调用。 将使用最后设置的值。
  • levelSOL_IDDP
    • optnameIDDP_POLLSZ
    • optval :指向类型为size_t的变量的指针,该变量表示绑定时保留的本地池大小,单位:字节。`
    • optlensizeof(size_tl)

针对 BUFP 套接字选项说明及参数配置如下:

  • BUFP_BUFSZ:配置BUFP缓冲区大小,写入BUFP的数据都被缓冲在每个套接字的存储区域中,必须配置该大小。绑定套接字后,不允许配置本地池大小。 但是,绑定之前允许进行多个配置调用。 将使用最后设置的值。

    • levelSOL_BUFP
    • optnameBUFP_BUFSZ
    • optval :指向类型为size_t的变量的指针,该变量表示绑定时保留的本地池大小,单位:字节。`
    • optlensizeof(size_tl)
  • BUFP_LABEL:设置BUFP端口标签。以便以比使用普通数字端口值更具描述性的方式来连接套接字。

    绑定套接字后,不允许分配标签。 但是,在绑定之前允许多次分配调用。 最后一个标签集将被使用。

bind()

绑定一个RTIPC socket到一个端口。

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

将套接字绑定到目标端口。

  • sockfd :套接字文件描述符。

  • addr :绑定套接字的地址(请参见struct sockaddr_ipc)。 该地址的含义取决于套接字所使用的RTIPC协议:

    • IPCPROTO_XDDP

    sipc_family :必须是AF_RTIPC, sipc_port 为-1或者0到CONFIG_XENO_OPT_PIPE_NRDEV-1之间的有效空闲端口号。如果sipc_port为-1,bind将自动为其分配一个空闲端口。

    成功后,将为该通信通道保留伪设备 /dev /rtpN ,其中N是分配的端口号。 非实时端应打开此设备以通过绑定的套接字交换数据。

    如果使用了label,非实时通过伪设备 /proc/xenomai/registry/rtipc/xddp/label 来与实时通讯。

    • IPCPROTO_IDDP

    sipc_family :必须是AF_RTIPC, sipc_port 为-1或者0到CONFIG_XENO_OPT_IDDP_NRPORT-1之间的有效空闲端口号。如果sipc_port为-1,bind将自动为其分配一个空闲端口。

    • IPCPROTO_BUFP

    sipc_family :必须是AF_RTIPC, sipc_port 为-1或者0到CONFIG_XENO_OPT_BUFP_NRPORT-1之间的有效空闲端口号。如果sipc_port为-1,bind将自动为其分配一个空闲端口。

  • addrlen :addr指向的结构体大小。

sendto()与recvfrom()

数据发送与接收。

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);

参数:

sockfd :socket()创建的套接字.

buf :发送/接收的数据;

len :发送/接收的数据长度;

flags : MSG_MORE 发送标志位,将带有该标志的数据包累积到缓冲区,而不是立即发出数据报,仅用于XDDP协议。

recvmsg()与sendmsg()

数据发送与接收。recvmsg()能做所有read()、sendto()能做到的事,同样sendmsg()能做所有read()、sendto()能做到的事,具体使用方法查阅Linux相关资料。

recvmsg()从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)

参数:

sockfd : socket()创建的套接字。

msg :消息头将被复制到该地址,具体查阅资料。

flasgs :MSG_DONTWAIT 非阻塞操作,如果没有消息可接收时,不会阻塞,立即返回EWOULDBLOCK,只有 实时应用 能使用该标志。

sendmsg()在RTIPC套接字上发送消息

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

参数:

sockfd : socket()创建的套接字。

msg :传达数据报的消息头的地址,,具体查阅资料。

flasgs : MSG_OOB 给发送带外消息;(带外数据:允许发送端将传送的数据标记为高优先级)。

MSG_DONTWAIT非阻塞操作,当无法立即发送消息时(如内存不足),不会阻塞,而是立即返回EWOULDBLOCK。

MSG_MORE发送前先累积数据到缓冲区,而不是立即发出数据报,仅用于IPCPROTO_XDDP协议。只有 实时应用 能使用该标志。

4.实时与非实时间通讯XDDP示例

IPCPROTO_XDDP :跨域数据报协议(RT<->NRT),实时Xenomai线程和常规Linux线程通讯时使用,linux端通过 read()、write() 读写 /dev/rtp <minor> 来通讯,Xenomai端通过套接字 recvfrom()或read() 来接收数据, sendto()或write() 来发送数据。

XDDP应用示例:

一个LLinux任务与一个实时任务使用XDDP进行通讯,实时任务向Linux任务发送消息,Linux任务收到后原样发送出去,实时任务将收到的消息显示出来(xenomai示例: xenomai3.0.8\demo\posix\cobalt\xddp-echo.c )。

对于linux可通过打开固定rtipc端口的设备节点来与实时任务固定端口通讯,这个端口是全局的,被使用了另一个实时任务就无法再使用。另一种方式是设置XDDP端口标签。实时程序设定XDDP端口的ASCII字符串名称,设定后在非实时端,可通过设备名称(/proc/xenomai/registry/rtipc/xddp/%s)来打开通讯端点,而不是用设备路径名(/dev/rtpN),其中的端口xenomai会自动分配。(xenomai示例: xenomai3.0.8\demo\posix\cobalt\xddp-label.c

同一系统的两种方式尽量不要混合使用,不然会发生如下情况,程序1使用XDDP端口标签配置了XDDP socket,此bind时系统为该socket分配的是端口1,接着另一个程序2开始创建另一个XDDP socket,由于指定了用端0来通讯,但该端口已经被程序1占用,就会绑定端口失败,导致程序无法正常运行。下面例子使用固定端口通讯:

使用带缓冲区方式与非实时应用通讯,使用端口0,实时端:

#define XDDP_PORT 0	 /*通讯端口0*/
.....
/*1.创建一个XDDP(rt<->nrt)通讯socket,AF_RTIPC、SOCK_DGRAM为固定参数*/
s = socket(AF_RTIPC, SOCK_DGRAM, IPCPROTO_XDDP);
if (s < 0) {
perror("socket");
exit(EXIT_FAILURE);
}
/*2.配置socket s为流缓冲通讯,缓冲区大小为1KB,设置为零将禁用流缓冲,每次数据发送将单独传输*/
streamsz = 1024; /* bytes */
ret = setsockopt(s, SOL_XDDP, XDDP_BUFSZ, &streamsz, sizeof(streamsz));
if (ret)
fail("setsockopt");
/*3.将套接字s绑定到端口0*/
memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));
saddr.sipc_family = AF_RTIPC;  //固定参数
saddr.sipc_port = XDDP_PORT;   //端口0  对应非实时读写的设备节点/dev/rtp0
ret = bind(s, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));
for (;;) {
/*4.发送*/
for (b = 0; b < len; b++) {
/*MSG_MORE表示:一字节一字节的将数据存到缓冲区*/
ret = sendto(s, msg[n] + b, 1, MSG_MORE, NULL, 0);
if (ret != 1)
fail("sendto");
/*如果不使用MSG_MORE,每个字母将作为一个数据包。Linux端段每次读取只能读取到一个字母,且符合FIFO*/
ret = sendto(s, msg[n] + b, 1, 0, NULL, 0);
if (ret != 1)
fail("sendto");
}
/*4.接收数据*/
ret = recvfrom(s, buf, sizeof(buf), 0, NULL, 0);
if (ret <= 0)
fail("recvfrom");
}
/* 5.关闭套接字*/
close(s);

非实时端:

#define _GNU_SOURCE   /*使用asprintf()函数需要该宏*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define XDDP_PORT 0	/*通讯端口0*/
char buf[128],*devname;
if (asprintf(&devname, "/dev/rtp%d", XDDP_PORT) < 0)/* /dev/rtp0 */
fail("asprintf");
/*1.打开设备 /dev/rtp0*/
fd = open(devname, O_RDWR);
free(devname);
for (;;) {
/*2.读/dev/rtp0*/
ret = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (ret <= 0)
fail("read");
/*3.写/dev/rtp0来发送数据*/
ret = write(fd, buf, ret);
if (ret <= 0)
fail("write");
}
close(fd);

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