Linux PREEMPT_RT ile EtherCAT Cycle Jitter: 47µs → 3.8µs

Donanım ve Yazılım Ortamı

Sorun: Standart Linux Scheduler Determinizmi Kırar

Standart Linux'ta SCHED_FIFO kullanılsa dahi kernel spinlock ve softirq işlemleri gerçek zamanlı thread'lerin preempt edilmesine neden olur. 1ms'lik EtherCAT döngüsünde baseline ölçümler:

P50 jitter:   8µs
P99 jitter:  47µs
P99.9 jitter: 213µs
Missed cycles (1 saat): 12

Bu rakamlar 250W servo motorunda anlık moment dalgalanması olarak görünür; titreşim ve konumsal sapma kabul edilemez düzeye çıkar.

Adım 1: PREEMPT_RT Çekirdeğini Derle

Yocto Scarthgap local.conf:

PREFERRED_VERSION_linux-imx = "6.1.36"
LINUX_KERNEL_TYPE = "preempt-rt"

RT yaması kernel içindeki spinlock'ların büyük bölümünü rt_mutex'e dönüştürür. Derleme sonrası doğrulama:

uname -v
# Linux version 6.1.36-rt10 ... PREEMPT_RT
cat /sys/kernel/realtime
# 1

Adım 2: CPU İzolasyonu ve IRQ Affinity

EtherCAT master thread'ine core-3'ü tamamen tahsis et. Kernel boot parametrelerine ekle:

isolcpus=3 nohz_full=3 rcu_nocbs=3

NIC interrupt'larını da aynı core'a yönlendir:

# ETH0 IRQ numarasını bul
cat /proc/interrupts | grep eth0
# Core-3 için smp_affinity (bit mask 0x8)
echo 8 > /proc/irq/[IRQ_NUM]/smp_affinity

Adım 3: Cyclic Thread — SCHED_FIFO + CLOCK_MONOTONIC

#include <sched.h>
#include <time.h>

#define PERIOD_NS 1000000  /* 1ms */

static void set_rt_priority(void) {
    struct sched_param p = { .sched_priority = 99 };
    pthread_setschedparam(pthread_self(), SCHED_FIFO, &p);
}

void *cyclic_task(void *arg) {
    set_rt_priority();
    struct timespec next;
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &next);

    while (running) {
        /* TIMER_ABSTIME: kümülatif drift önlenir */
        clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, TIMER_ABSTIME, &next, NULL);

        ecrt_master_receive(master);
        ecrt_domain_process(domain);
        update_servo_commands();
        ecrt_domain_queue(domain);
        ecrt_master_sync_reference_clock(master);
        ecrt_master_send(master);

        next.tv_nsec += PERIOD_NS;
        if (next.tv_nsec >= 1000000000L) {
            next.tv_nsec -= 1000000000L;
            next.tv_sec++;
        }
    }
    return NULL;
}

Kritik: clock_nanosleep(TIMER_ABSTIME) zorunludur. TIMER_RELTIME her iterasyonda küçük sapmalar biriktirir ve 1 saatlik operasyonda P99 jitter ikiye katlanabilir.

Adım 4: EtherCAT Distributed Clock Senkronizasyonu

DC olmadan slave'lerin referans saatleri sistem saatinden kayar:

/* Slave konfigürasyonunda — tek seferlik */
ecrt_slave_config_dc(sc, 0x0300, PERIOD_NS, 0, 0, 0);

/* Her döngü içinde */
ecrt_master_sync_reference_clock(master);
ecrt_master_sync_slave_clocks(master);

Ölçüm Metodolojisi

Yazılım timestamp'i yanlıştır — kernel scheduling gecikmesini ölçüme dahil etmez.

Doğru yöntem:

1. EtherCAT frame gönderimi sırasında GPIO PA15 high → low
2. Osiloskop ile yükselen → düşen kenar arasını ölç
3. 100.000 cycle, 27.7 saat kesintisiz kayıt

gpio_set(PA15, 1);
ecrt_master_send(master);
gpio_set(PA15, 0);

Sonuçlar

Tekrarlanabilirlik Notları

• Ortam: 25°C ± 2°C, 6 slave, 1kHz, 8B IN + 8B OUT PDO/slave
• CPU arka plan yükü: %20 ortalama (EtherCAT thread haricinde)
• Reproduksiyon için tam kernel .config ve IgH master parametrelerini paylaşabiliriz — İletişim sayfasından talep edin.

İlgili Kaynaklar

• EtherCAT ve Endüstriyel Protokoller Yeteneği
• Hard Real-Time & RTOS Yeteneği
• NXP i.MX Platform Sayfası

Sisteminizde EtherCAT jitter sorunu yaşıyorsanız Mimari Denetim Talebi sayfasından bize ulaşın.