Die letzten wichtigen verbleibenden Bausteine für den Realtime-Support für Linux wurden in den Mainline-Zweig aufgenommen. Das bedeutet, dass Linux 6.12 voraussichtlich in einem echtzeitfähigen Modus betrieben werden kann, wenn der Kernel entsprechend kompiliert wird.
Echtzeitfähigkeit wird insbesondere in Embedded-Szenarien benötigt, wenn auf eine Eingabe innerhalb einer vorhersagbaren Zeit eine Antwort erwartet wird. Speziell in der Robotik, aber auch in der Multimediaproduktion gibt es solche Anforderungen. Dabei kommt es nicht darauf an, dass eine Aufgabe schnell abgearbeitet wird, sondern, dass sie in einer deterministischen Zeit begonnen wird.
Ein Beispiel für Echtzeit
An dieser Stelle mag sich die Frage stellen, was diese Echtzeitfähigkeit, von der hier geredet wird, überhaupt ist. Das lässt sich gut am Beispiel eines Line-following Robot klären. Was ein solcher Roboter tut, kann man sich z. B. in diesem YouTube-Video ansehen. Technisch besteht so ein Roboter aus zwei (oder mehr) Kameras als Sensoren, zwei Motoren für jeweils ein Rad als Aktoren und einem Controller zur Steuerung. Die Kameras sollen den Kontrast ermitteln, damit festgestellt werden kann, ob sie noch auf die schwarze Linie zeigen. Bemerkt eine der Kameras beim Fahren, dass sie den Sichtkontakt zur Linie aufgrund z. B. einer Kurve verliert, müssen die Motoren durch eine leichte Drehung nachsteuern, um auf der Linie zu bleiben.
Diese Kameras lösen üblicherweise entsprechend ihrer Abtastfrequenz auf dem Controller für die Steuerung einen Interrupt aus. Das führt zur Abarbeitung der Steuerungsroutine, die für beide Motoren die Geschwindigkeit berechnet, mit der sie sich drehen sollen.
Entscheidend ist, dass nicht beide Kameras den Sichtkontakt verlieren, damit der Roboter weiterhin weiß, in welche Richtung er nachsteuern muss. Üblicherweise wird das beim Testen funktionieren, aber es kann in bestimmten Randbedingungen bei normalen Betriebssystemen, wenn der Controller z. B. mit vielen anderen Aufgaben zufälligerweise beschäftigt ist, passieren, dass auf einmal nicht schnell genug die Routine aufgerufen wird. Der Roboter verliert dann den Sichtkontakt.
Der Entwickler eines solchen Roboters kann nun eine Echtzeitanforderung formulieren, dass z. B. auf ein Interrupt von den Kameras innerhalb von 1 Millisekunde reagiert werden muss. Er kann mit dieser Anforderung jetzt die maximale Geschwindigkeit des Roboters so wählen, dass der Roboter langsam genug fährt, um nicht die Linie – trotz der Latenz von im worst-case 1 Millisekunde – nicht zu verlieren.
Diese 1 Millisekunde muss aber auch vom Controller, seinem Betriebssystem und schließlich seinem Kernel garantiert werden. Der Kernel muss also in jeder Situation in der Lage sein, auf eine Anforderung innerhalb einer vorbestimmten Zeit zu reagieren. Unabhängig von der zwingenden Fähigkeit, präemptiv zu arbeiten, also jederzeit anderer Prozesse unterbrechen zu können, darf der Kernel auch nicht mit sich selber unvorhersehbar lange beschäftigt sein, wenn z. B. eine Synchronisation hängt.
20 Jahre Arbeit
Und genau hierum geht es beim grob gesagt beim PREEMPT_RT-Patch. Der Kernel muss so nachgebessert werden, dass keine Komponente sich unnötig lange aufhängt und somit die Abarbeitung von Aufgaben behindert, für die eine garantierte Ausführungszeit festgelegt wurde.
Die ursprüngliche Arbeit begann bereits im Jahr 2004 auf einem getrennten Zweig und hatte viele Verbesserungen in den Kernel gebracht, zuletzt an der printk()-Infrastruktur. Jetzt sollten die Arbeiten so weit sein, dass Realtime nicht mehr auf einem getrennten Zweig, sondern im Hauptzweig entwickelt werden kann.
Die Echtzeitfähigkeit gab es somit in speziell präparierten Kernels schon lange. Neu ist, dass der Code im Hauptzweig gepflegt wird und somit besser mit Änderungen anderer Maintainer abgestimmt werden kann. Denn eine Änderung an einer anderen Komponente reicht schon aus, um die Echtzeitfähigkeit zu unterminieren.
Linux echtzeitfähig zu machen, ist somit ein großer Aufwand gewesen, weil man solche Fähigkeiten oft nur in spezialisierten Betriebssystemen (sogenannten Real-time operating systems, RTOS) vorfindet. Insbesondere Thomas Gleixner und John Ogness haben hier große Anstrengungen unternommen. Jetzt, nach knapp 20 Jahren Arbeit, dürfte das Vorhaben einen wichtigen Meilenstein erreichen.
Wer sich für einen tieferen Einblick in die Linux-RT-Welt interessiert, kann einerseits den Artikel von Thomas Leemhuis auf Heise Online von letzter Woche lesen oder sich auf LWN durch das Artikelarchiv zu der Thematik arbeiten.
