制御のためのリアルタイムOS

これはなに？

モーションコントロールのためにリアルタイムOSを用意する必要があったので，その時のメモ。
ここでは，RTAIを用いてUbuntu 16.04をリアルタイム化しました。

環境

• CPU: Intel pentium 4
• RAM: 1024GB
• HDD: 500GB
• OS: Ubuntu 16.04 LTS (amd64)

リアルタイムOSって?

指定の時間ごとに処理を実行してくれるようなOSのこと。
厳密に時間を指定することがロボット制御などには必須なので利用されます。
他にも，ART-linux(産総研)などもあるが，古いカーネルしか対応していないので，今回はRTAIを選びました。

インストール

こちらのサイトをベースに他のサイトや公式のマニュアルを見て行いました。

Ubuntu16.04のインストール

テキトーにisoファイルなりをダウンロードしてインストールします。
（インストールは英語でやって，後から日本語をインストールするとディレクトリ名が英語のままにできるのでお勧め）

必要なパッケージなどのインストとダウンロード

端末を開いて必要なパッケージをインストールします。

sudo apt update
sudo apt upgrade
sudo apt install libncurses5-dev libssl-dev libelf-dev ccache

次にテキトーにフォルダを作って，ファイルをダウンロードします。
この時，OSが32bitの場合，amd64をi386と書き換えてダウンロードします。

mkdir ~/RTAI
cd ~/RTAI
wget https://www.rtai.org/userfiles/downloads/RTAI/rtai-5.1.tar.bz2
wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.9.80.tar.gz
wget http://kernel.ubuntu.com/~kernel-ppa/mainline/v4.9.80/linux-image-4.9.80-040980-generic_4.9.80-040980.201802031730_amd64.deb

そして，ソースは/usr/src/に展開し，カーネルイメージはその場に展開します。

sudo tar -xvf rtai-5.1.tar.bz2 -C /usr/src/
sudo tar -xvf linux-4.9.80.tar.gz -C /usr/src/
sudo dpkg-deb -x linux-image-4.9.80-040980-generic_4.9.80-040980.201802031730_amd64.deb linux-image-4.9.80

カーネルの再コンパイルの準備

カーネルをコンパイルする準備をします。
まず，ソースフォルダに移動し，忘れる前にシンボリックリンクを張っておきます。

cd /usr/src/
sudo ln -s linux-4.9.80/ linux
sudo ln -s rtai-5.1/ rtai

次に，カーネルにパッチを当てます。
この時，お手本となるconfigファイルがあったほうが良いので，
先ほどRTAIフォルダに展開したカーネルイメージや現在のカーネルの/boot以下からファイルをコピーしてきます。

sudo cp ~/RTAI/linux-image-4.9.80/boot/config-4.9.80-040980-generic /usr/src/linux/.config

そうしたら，パッチを当てます。(ちなみに64bitも32bitもx86で良いそうです)
ここで，"-p"の後ろは英語の"l"（エル）ではなく，数字の"1"(いち)なので注意してください。（自分はここでしばらく悩みました・・・）

cd /usr/src/linux
sudo patch -b -p1 < /usr/src/rtai/base/arch/x86/patches/hal-linux-4.9.80-x86-4.patch

カーネルのコンパイル設定

ここがインストールの最大の難所です。
なぜなら，個人の環境によって設定が変わるからです。
（どうしてもうまくいかない場合は，make localmodconfigを試してみてください）
以下のコマンドで，設定画面を開いて設定を変更します。
設定後は，SaveしてExitしてください。

sudo make menuconfig

マニュアルに述べられている必須項目

以下の設定となっているか確認し，なっていなければ変更します。

• Processor type and features
  • Use register arguments => exclude
  • Interrupt pipeline => include
• Enable Loadable module support
  • Module versioning support => exclude

おそらく必要な項目

• General setup
  • Stack Protector buffer over flow detection => none
• Proceccer type and features
  • Symmetric multi-processing support => マルチコアならinclude / 単コアならexclude
  • Enable maximum number of SMP processors and NUMA nodes => exclude
  • Maximum number of CPU's => 実際のコア数に合わせて2~4
  • SMT(Hyperthreading) scheduler support => exclude
• Power management and ACPI options
  • ACPI Support => disable
  • CPU Frequency scalling => disable

カーネルのコンパイルとインストール

設定が終わったらコンパイルを行います。

cd /usr/src/linux
sudo make clean
sudo ccache make -j2 LOCALVERSION=-rtai

ccacheはコンパイル結果をキャッシュしてくれるコマンド，-jXはマルチスレッドでコンパイルしてくれるオプションらしいです。
LOCALVERSIONにはカーネル選択時に分かりやすい名前を付けておきます。
ここまで来たらいったん休憩です。（数時間のコンパイルになります）

終了したら，インストールします。

sudo make modules_install
sudo make install

また，起動時のGrubでカーネルを選択できるように設定を変えてからリブートします。

sudo nano /etc/default/grub
  # 以下をコメントアウトして保存
  # GRUB_HIDDEN_TIMEOUT=0
  # GRUB_HIDDEN_TIMEOUT_QUIET=true
sudo update-grub
sudo reboot

Grubの画面から，Advanced options for Ubuntuを選び，先ほど付けたLOCALVERSIONのカーネルを選択してブートする。
これで問題なくブートできればカーネルコンパイルは成功です。
念のため，"uname -a"でカーネルを確かめてみてください。
（ブートできない場合は，カーネル設定に戻っていろいろ変えてみてください）

RTAIのインストール

最後にRTAIのモジュールなどをインストールします。

cd /usr/src/rtai
sudo make menuconfig
# ここでは設定変更せずExitを選びSaveする
sudo make
sudo make install

動作確認

インストール後には，レイテンシの確認を行いましょう。
まず，パスにRTAIのディレクトリを追加します。

export PATH="$PATH:/usr/realtime/bin"

次に，モジュールを手動でinsmodして確認してみます。

sudo insmod /usr/realtime/modules/rtai_hal.ko
sudo insmod /usr/realtime/modules/rtai_sched.ko
sudo insmod /usr/realtime/modules/rtai_lxrt.ko
sudo lsmod

正常にinsmodできることを確認したら，カーネルモードとユーザモードでそれぞれレイテンシを確認してみましょう。

cd /usr/realtime/testsuite/user/latency
sudo ./run
# ユーザーモードのレイテンシを確認し，Ctrl+Cで終了

cd /usr/realtime/testsuite/kern/latency
sudo ./run
# カーネルモードのレイテンシを確認し，Ctrl+Cで終了

それぞれのモードでoverrunsが0であれば，問題なく動作しています。
もし，0でない場合は，ACPIをexcludeしているかなどを確認しましょう。

後書き

とりあえず，リアルタイムな環境を構築できて一安心でした。
ART-linuxの実験PCもあるので，サンプリング時間をどのくらいまで下げられるかも比較してみたい。
（最も，小細工なしにapt-getが使える点でこちらの方が良い気はします）

当方素人につき，間違いなどあればぜひコメントにて教えてください。

参考サイト

RTAI公式 : オフィシャルページ（英語）
RTAI on Ubuntu16.04 : 最も参考にした（日本語）
User Manual : 少し古いが詳細な情報（英語,pdf）
RTAI入門シリーズ : RTAIの仕組みやAPIも含めて解説（日本語）
RTAI3.9+Fedora17 64bit : ディストリは違うが動作確認まで記載あり（日本語）