Bu bölümde determinizm, gerçek zamanlı (real-time) sistemler ve Linux’un gerçek zamanlı sistemlerde nasıl bir konumda yer aldığından bahsedilecek ardından C dilinde geliştirilmiş gerçek zamanlı Linux özelliklerini kullanan uygulama tanıtılacaktır.

​
Determinizm ve Gerçek Zamanlı Sistemler

Determinizm, bir sistemin aynı girdiler verildiğinde her zaman aynı sonuçları üretmesi ve bunları öngörülebilir zaman sınırları içinde gerçekleştirmesi anlamına gelir. Gerçek zamanlı sistemlerde bu kavram kritik öneme sahiptir, çünkü bu sistemlerde sadece doğru sonuç üretmek yeterli değildir; bu sonuçların belirli zaman sınırları içinde üretilmesi de şarttır. Geleneksel Linux çekirdeği, throughput (işlem hacmi) ve genel sistem performansını optimize etmek için tasarlanmıştır. Bu yaklaşım, işlemci zamanının adil paylaşımını sağlar ve sistem genelinde yüksek verimlilik elde eder, ancak deterministik davranış konusunda garanti vermez. Çekirdeğin kendisi kesilemez (non-preemptible) olarak tasarlanmıştır, yani bir işlem çekirdek modunda çalışırken, daha yüksek öncelikli bir işlem bile onu bölemez. Bu durum, interrupt handler’ların ve sistem çağrılarının öngörülemeyen sürelerde çalışmasına neden olur.

​
Preempt-RT

Preempt-RT, Linux çekirdeğini gerçek zamanlı uygulamalar için uygun hale getiren bir yama setidir. Bu yama, çekirdeğin neredeyse tamamını kesilebilir (preemptible) hale getirerek, yüksek öncelikli işlemlerin çekirdek modunda çalışan düşük öncelikli işlemleri bölebilmesini sağlar. Preempt-RT’nin temel amacı, sistem genelinde latency (gecikme) değerini minimize etmek ve gerçek zamanlı işlemler için deterministik davranış garantisi sunmaktır. Bu yaklaşım, sistem throughput’unu bir miktar azaltsa da, kritik zamanlı uygulamalar için gerekli olan öngörülebilir performansı sağlar. Gemstone Minimal imajında Preempt-RT Linux kerneli tercih edilmiştir.

​
Örnek Uygulama

t3gemstone/examples reposunda yer alan preempt-rt projesi Linux Preempt-RT çekirdeğinde gerçek zamanlı görev performansını test etmeye yönelik bir benchmark aracıdır. Programın temel amacı, gerçek zamanlı sistemlerde kritik olan latency ve jitter değerlerini ölçerek sistem performansını analiz etmektir. Uygulama, 1 milisaniye periyotta çalışan bir görevi simüle ederek, bu görevin ne kadar tutarlı ve öngörülebilir şekilde çalıştığını değerlendirir. Program çalışma mantığı olarak öncelikle SCHED_FIFO scheduling policy kullanarak gerçek zamanlı bir thread oluşturur ve buna yüksek öncelik (priority 80) atar. Bu thread, her 1ms’de bir çalışması gereken görevi simüle eder ve clock_nanosleep() fonksiyonu ile hassas zamanlama yapar. Program ayrıca mlockall() ile bellek sayfalarını RAM’de kilitleyerek page fault’ları önler ve gecikmeleri azaltır. 10,000 iterasyon boyunca performans verisi toplayarak, beklenen uyanma zamanı ile gerçek uyanma zamanı arasındaki farkı (latency) ve periyodun tutarlılığını (jitter) ölçer. 
gemstone@t3-gem-o1:examples$ sudo ./build/examples/preempt-rt/preempt-rt
# Linux Preempt-RT Real-Time Task Example
# ========================================
# Real-time kernel: YES
# Creating RT task with priority 80...
# RT task created successfully
# Running for 10000 iterations (period: 1.000 ms)...
# Press Ctrl+C to stop early
# 
# RT Task started (TID: 900)
# RT Task completed 10000 iterations
# 
# === REAL-TIME PERFORMANCE STATISTICS ===
# Total iterations: 10000
# Task period: 1000000 ns (1.000 ms)
# 
# LATENCY STATISTICS:
#   Min latency:        10190 ns (10.190 μs)
#   Max latency:        76534 ns (76.534 μs)
#   Avg latency:      11667.5 ns (11.668 μs)
#   Std deviation:      696.9 ns ( 0.697 μs)
# 
# JITTER STATISTICS:
#   Min jitter:             2 ns ( 0.002 μs)
#   Max jitter:         64724 ns (64.724 μs)
#   Avg jitter:         158.2 ns ( 0.158 μs)
# 
# LATENCY DISTRIBUTION:
#   < 1 μs:          0 (  0.0%)
#   1-10 μs:         0 (  0.0%)
#   10-100 μs:   10000 (100.0%)
#   100-1000 μs:     0 (  0.0%)
#   > 1000 μs:       0 (  0.0%)
# 
# === SYSTEM INFORMATION ===
# Process PID: 899
# Scheduling policy: SCHED_FIFO
# RT Priority: 80