Gerçek zamanlı li̇nux (PREEMPT-RT) çeki̇rdeği̇ni̇n proses ve sürücüler üzeri̇ndeki̇ zaman geci̇kmeleri̇ni̇n anali̇zi̇

Abstract

Gömülü sistemler ve endüstriyel otomasyon gibi kritik uygulama alanlarında hassas zamanlama ve deterministik davranış büyük önem taşımaktadır. Günümüzde gömülü sistemler, artan karmaşıklıkları ve gereksinimleri nedeniyle gerçek zamanlı performans sergileyebilen işletim sistemlerine ihtiyaç duymaktadır. PREEMPT-RT yaması, Linux çekirdeğini gerçek zamanlı hesaplama ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde genişleterek zaman gecikmelerini azaltır ve sistem yanıt hızını artırır. Bu çalışma, PREEMPT-RT çekirdeğinin prosesler ve sürücüler üzerinde oluşturduğu zaman gecikmelerini analiz ederek, farklı koşullar altında gerçek zamanlı sistemlerin performansını değerlendirmeyi ve bu alanda kullanılabilecek referans bir kaynak oluşturmayı amaçlamaktadır. Araştırma, işletim sistemlerinin evrimi, gerçek zamanlı sistemlerin özellikleri ve PREEMPT-RT yamasının tarihsel gelişimi üzerine bir inceleme ile başlamaktadır. Literatür taraması kapsamında, gerçek zamanlı Linux sistemlerinde yapılan performans analizlerinin sonuçları değerlendirilmiş ve mevcut araştırmaların çıktıları karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada, PREEMPT-RT yaması Raspberry Pi 5 donanımı üzerinde çalıştırılmıştır. Sistem ortamı, yamalı çekirdeğin yapılandırılması, derlenmesi ve hedef cihaza yüklenmesiyle oluşturulmuştur. Zamanlama gecikmelerini, kesme durumlarındaki gecikmeleri, sürücü performansını ve çıkış sinyali gecikmelerini ölçmek amacıyla analizler yapılmıştır. Ayrıca, I2C protokolüyle haberleşen bir sıcaklık ve nem sensörü (SHT21) için özel bir sürücü yazılmış ve farklı sistem yükleri altında test edilmiştir. Buna ek olarak, USB arabirimi üzerinden bir depolama aygıtının fiziksel olarak algılanması ile sürücüsünün sistem tarafından tanınması arasındaki süre, PREEMPT-RT yamalı Linux çekirdeği ve standart Linux çekirdeği kullanılarak karşılaştırılmıştır. Bu testler, PREEMPT-RT yamasının gerçek zamanlı sistemler üzerindeki etkilerini değerlendirmek için gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın amacı, gömülü sistemlerde gerçek zamanlı Linux kullanımını değerlendirmek ve bu alanda çalışan araştırmacılara ve mühendislik uygulamaları geliştirenlere bir rehber sunmaktır. Ayrıca, elde edilen analiz çıktılarının, gerçek zamanlı sistemlerin performansını optimize etmek isteyenlere ve bu teknolojiyi geliştirmeye yönelik çalışmalar yapanlara katkı sağlaması hedeflenmektedir. Çalışmanın bulguları, yüksek hassasiyet ve düşük gecikme gerektiren uygulamalar için kritik önem taşımakta ve gerçek zamanlı hesaplama alanında gelecekteki araştırmalara ışık tutmaktadır.

In critical applications such as embedded systems and industrial automation, precise timing and deterministic behavior are essential. Today, embedded systems require operating systems capable of delivering real-time performance due to their increasing complexity and evolving demands. The PREEMPT-RT patch modifies the Linux kernel to meet the requirements of real-time computing by reducing latency and enhancing system responsiveness. This study aims to analyze the latency impacts introduced by the PREEMPT-RT kernel on processes and drivers, evaluate the performance of real-time systems under varying conditions, and provide a valuable reference resource in this field. The research begins with an examination of the evolution of operating systems, the characteristics of real-time systems, and the historical development of the PREEMPT-RT patch. As part of the literature review, the results of performance analyses conducted on real-time Linux systems have been evaluated, and the findings of existing studies compared. In this study, the PREEMPT-RT patch was applied to Raspberry Pi 5 hardware. The system environment was created by configuring, compiling, and deploying the patched kernel onto the target device. Analyses were conducted to measure scheduling delays, interrupt latencies, driver performance, and output signal delays. Additionally, a custom driver was developed for a temperature and humidity sensor (SHT21) communicating via the I2C protocol, and the system was tested under various load conditions. Additionally, the detection-to-recognition time for a USB storage device was compared between the PREEMPT-RT patched Linux kernel and the standard Linux kernel. These tests were carried out to assess the impact of the PREEMPT-RT patch on real-time systems. The objective of this study is to evaluate the use of real-time Linux in embedded systems and serve as a guide for researchers and engineers developing applications in this field. Additionally, the findings aim to assist those seeking to optimize real-time system performance and contribute to advancing this technology. The results of the study are critically important for applications requiring high precision and low latency, providing valuable insights for future research in real-time computing.