【原創】xenomai核心解析--實時IPC概述

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目錄

• 1.概述
• 2.Real-time IPC
• 2.核心配置
• 3.應用程式設計介面
  • socket()
  • close()
  • setsockopt()
  • bind()
  • sendto()與recvfrom()
  • recvmsg()與sendmsg()
• 4.實時與非實時間通訊XDDP示例
  • XDDP應用示例：

1.概述

Linux系統中常見的程式間通訊方式有管道、FIFO、共享記憶體、訊號、套接字等方式。但在xenomai核心加入後，一個實時任務與非實時（普通Linux任務，如人機互動應用）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提供的程式間通訊方式，但是當實時任務呼叫這些服務介面的時候會觸發任務遷移，遷移到linux核，由linux接管排程並提供服務，Linux核心本身就只是軟實時核心，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的程式間通訊外(當然不建議使用)，xenomai也提供了針對實時任務的程式間通訊方式(Real-time IPC),其中包含一種跨域通訊方式---XDDP（cross-domain datagram protocol跨域資料包協議）。

2.Real-time IPC

RTIPC以RTDM（實時裝置驅動模型）下的Protocol Devices來實現，根據程式間通訊情況不同，rtipc提供三種程式間通訊：

• XDDP，跨域資料包協議，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，實時域內資料包協議，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域內交換資料包。
• BUFP,緩衝區協議，實時任務間批量資料通訊（RT<->RT），所有寫入的訊息均按照嚴格的FIFO順序緩衝到單個儲存區中，直到被使用者讀取為止。

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

2.核心配置

由於RTIPC以實時核心驅動模組的形式來實現，所以要使用RTIPC,就得在核心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.應用程式設計介面

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，但是引數需要根據xenomai提供的引數來使用，下面為官方文件簡單直譯。

socket()

---

​ 建立套接字。

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

引數：

domain：AF_RTIPC地址族；

type:套接字型別,SOCK_DGRAM(其餘無效)

protocol：

• IPCPROTO_XDDP、IPCPROTO_IDDP 、IPCPROTO_BUFP 、IPCPROTO_IPC 預設協議(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()

---

設定套接字選項。

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

---

針對XDDP套接字選項說明及引數配置如下：

• XDDP_LABEL：設定XDDP埠標籤。設定XDDP埠的ASCII字串名稱，設定後在非實時端，可通過裝置名稱（/proc/xenomai/registry/rtipc/xddp/%s）來開啟通訊端點，而不是用裝置路徑名（/dev/rtpN）
  • level ： SOL_XDDP
  • optname：XDDP_LABEL
  • optval：rtipc_port_label指標
  • optlen：sizeof(struct rtipc_port_label)

struct rtipc_port_label {
	/** 埠標籤字串，以null結尾。 */
	char label[XNOBJECT_NAME_LEN];
};

• XDDP_POLLSZ:XDDP本地記憶體池大小配置。預設情況下，傳輸資料所需的記憶體是從xenomai的系統記憶體池中提取的，設定本地池大小會覆蓋預設大小。如果配置了非零大小，則在bind時才進行分配實際記憶體。 該池將為未決資料提供儲存。繫結套接字後，不允許配置本地池大小。 但是，繫結之前允許進行多個配置呼叫。 將使用最後設定的值。

• • level ： SOL_XDDP
  • optname：XDDP_POLLSZ
  • optval：指向型別為size_t的變數的指標，該變數表示繫結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。除了傳送資料包外，實時執行緒還可以通過埠以面向位元組的模式傳輸資料。為套接字設定非零緩衝區大小時，啟用此功能。這樣，當任何傳送函式使用MSG_MORE標誌時，實時資料會累積到流緩衝區中，發生以下情況時緩衝區資料會被髮送出去：

• Linux域中接收器被喚醒接收資料，

  • 不同的源埠嘗試將資料傳送到相同的目標埠，

• 傳送標誌中沒有MSG_MORE，

• 緩衝區已滿。（以先到者為準）。

將* optval設定為0將禁用流緩衝區，在這種情況下，所有傳送都將在單獨的資料包中傳輸，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，實時資料將停止積累，並且僅在資料包模式恢復傳送操作。從Linux域端點消耗了流緩衝區中的部分或全部資料之後，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；在重新整理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：指向型別為size_t的變數的指標，該變數表示繫結時保留的本地池大小,單位：位元組。
  • optlen：sizeof(size_t)

• XDDP_MONITOR:XDDP監視回撥。對套接字安插使用者定義的回撥函式，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。僅適用於核心空間任務。

  • level ： SOL_XDDP

  • optname：XDDP_MONITOR

  • optval：指向型別為int (*)(int fd, int event, long arg)的函式的指標，其中包含使用者定義的回撥函式的地址。在optval中傳遞NULL回撥指標將禁用該功能。

  • optlen：sizeof(size_t)

---

針對IDDP套接字選項說明及引數配置如下：

• IDDP_LABEL：設定IDDP埠標籤。設定IDDP埠的ASCII字串名稱，以便使用比數字埠更具描述性的方式來與套接字連線。設定label後，標籤將在bind()時註冊，在bind()前可多次設定，bind()前的最後一次設定生效。
  • level ： SOL_IDDP
  • optname：IDDP_LABEL
  • optval：rtipc_port_label指標
  • optlen：sizeof(struct rtipc_port_label)

struct rtipc_port_label {
	/** 埠標籤字串，以null結尾。 */
	char label[XNOBJECT_NAME_LEN];
};

• **IDDP_POOLSZ **:配置IDDP本地記憶體池大小。預設情況下，傳輸資料所需的記憶體是從xenomai的系統記憶體池中提取的，設定本地池大小會覆蓋預設大小。如果配置了非零大小，則在bind時才進行分配實際記憶體。傳輸資料佔用的記憶體將從該池內分配。繫結套接字後，不允許配置本地池大小。 但是，繫結之前允許進行多個配置呼叫。 將使用最後設定的值。
• level ： SOL_IDDP
  • optname：IDDP_POLLSZ
  • optval：指向型別為size_t的變數的指標，該變數表示繫結時保留的本地池大小,單位：位元組。`
  • optlen：sizeof(size_tl)

---

針對BUFP套接字選項說明及引數配置如下：

• BUFP_BUFSZ:配置BUFP緩衝區大小，寫入BUFP的資料都被緩衝在每個套接字的儲存區域中，必須配置該大小。繫結套接字後，不允許配置本地池大小。 但是，繫結之前允許進行多個配置呼叫。 將使用最後設定的值。

  • level ： SOL_BUFP
  • optname：BUFP_BUFSZ
  • optval：指向型別為size_t的變數的指標，該變數表示繫結時保留的本地池大小,單位：位元組。`
  • optlen：sizeof(size_tl)

• BUFP_LABEL：設定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線套接字。

  繫結套接字後，不允許分配標籤。 但是，在繫結之前允許多次分配呼叫。 最後一個標籤集將被使用。

bind()

---

繫結一個RTIPC socket到一個埠。

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

將套接字繫結到目標埠。

• sockfd：套接字檔案描述符。

• addr:繫結套接字的地址（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之間的有效空閒埠號。如果sipc_port為-1,bind將自動為其分配一個空閒埠。

  成功後，將為該通訊通道保留偽裝置/dev /rtpN，其中N是分配的埠號。 非實時端應開啟此裝置以通過繫結的套接字交換資料。

  如果使用了label，非實時通過偽裝置/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之間的有效空閒埠號。如果sipc_port為-1,bind將自動為其分配一個空閒埠。

  • IPCPROTO_BUFP

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

• addrlen:addr指向的結構體大小。

sendto()與recvfrom()

---

資料傳送與接收。

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);

引數：

sockfd:socket()建立的套接字.

buf:傳送/接收的資料；

len:傳送/接收的資料長度；

flags:MSG_MORE傳送標誌位，將帶有該標誌的資料包累積到緩衝區，而不是立即發出資料包，僅用於XDDP協議。

recvmsg()與sendmsg()

---

資料傳送與接收。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套接字接收訊息。

#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)

引數：

sockfd: socket()建立的套接字。

msg：訊息頭將被複制到該地址，具體查閱資料。

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

sendmsg()在RTIPC套接字上傳送訊息

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

引數：

sockfd: socket()建立的套接字。

msg：傳達資料包的訊息頭的地址，，具體查閱資料。

flasgs:MSG_OOB給傳送帶外訊息；（帶外資料：允許傳送端將傳送的資料標記為高優先順序）。

MSG_DONTWAIT 非阻塞操作，當無法立即傳送訊息時（如記憶體不足），不會阻塞，而是立即返回EWOULDBLOCK。

MSG_MORE傳送前先累積資料到緩衝區，而不是立即發出資料包，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:跨域資料包協議(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()來接收資料，sendto()或write()來傳送資料。

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任務傳送訊息，Linux任務收到後原樣傳送出去，實時任務將收到的訊息顯示出來（xenomai示例：xenomai3.0.8\demo\posix\cobalt\xddp-echo.c）。

對於linux可通過開啟固定rtipc埠的裝置節點來與實時任務固定埠通訊，這個埠是全域性的，被使用了另一個實時任務就無法再使用。另一種方式是設定XDDP埠標籤。實時程式設定XDDP埠的ASCII字串名稱，設定後在非實時端，可通過裝置名稱（/proc/xenomai/registry/rtipc/xddp/%s）來開啟通訊端點，而不是用裝置路徑名（/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儘量不要混合使用，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開始建立另一個XDDP socket，由於指定了用端0來通訊，但該埠已經被程式1佔用，就會繫結埠失敗，導致程式無法正常執行。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.建立一個XDDP（rt<->nrt）通訊socket，AF_RTIPC、SOCK_DGRAM為固定引數*/
    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,設定為零將禁用流緩衝，每次資料傳送將單獨傳輸*/
	streamsz = 1024; /* bytes */
	ret = setsockopt(s, SOL_XDDP, XDDP_BUFSZ, &streamsz, sizeof(streamsz));
	if (ret)
		fail("setsockopt");

/*3.將套接字s繫結到埠0*/
	memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));
	saddr.sipc_family = AF_RTIPC;  //固定引數
	saddr.sipc_port = XDDP_PORT;   //埠0  對應非實時讀寫的裝置節點/dev/rtp0
	ret = bind(s, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));

for (;;) {
    /*4.傳送*/
    for (b = 0; b < len; b++) {
        /*MSG_MORE表示：一位元組一位元組的將資料存到緩衝區*/
		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資料包。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.接收資料*/
    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()函式需要該巨集*/
#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.開啟裝置 /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來傳送資料*/
        ret = write(fd, buf, ret);
        if (ret <= 0)
            fail("write");
    }
    close(fd);