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【原创】xenomai内核解析--实时IPC概述

2020-10-01 17:01 1536 查看

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。

XDDP xenomai内核详细实现解析：【原创】xenomai与普通linux进程之间通讯XDDP(一)--实时端socket创建流程【原创】xenomai与普通linux进程之间通讯XDDP(二)--实时与非实时关联(bind流程) 【原创】xenomai与普通linux进程之间通讯XDDP(三)--实时与非实时数据交互

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_XDDP
、
IPCPROTO_IDDP
、
IPCPROTO_BUFP
、
IPCPROTO_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
```
）
```
level
```
：
```
SOL_XDDP
```
```
optname
```
：
```
XDDP_LABEL
```
```
optval
```
：
```
rtipc_port_label
```
指针
```
optlen
```
：
```
sizeof(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。
```
level
```
：
```
SOL_XDDP
```
```
optname
```
：
```
XDDP_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。
```
optlen
```
：
```
sizeof(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）。

将

* 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。

```
level
```
：
```
SOL_XDDP
```
```
optname
```
：
```
XDDP_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。
```
optlen
```
：
```
sizeof(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。

level

SOL_XDDP

```
optname
```
：
```
XDDP_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。
```
optlen
```
：
```
sizeof(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。
```
level
```
：
```
SOL_IDDP
```
```
optname
```
：
```
IDDP_LABEL
```
```
optval
```
：
```
rtipc_port_label
```
指针
```
optlen
```
：
```
sizeof(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。
```
level
```
：
```
SOL_IDDP
```
```
optname
```
：
```
IDDP_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。`
```
optlen
```
：
```
sizeof(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。
```
level
```
：
```
SOL_BUFP
```
```
optname
```
：
```
BUFP_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。`
```
optlen
```
：
```
sizeof(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
 + 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
 + 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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