Scheduling Analysis of UAV Flight Control Workloads using Raspberry Pi 5 Using PREEMPT_RT Linux

Probleemstelling

Moderne onbemande luchtvaartuigen (UAV's) evolueren van eenvoudig bestuurbare voertuigen naar autonome edge-computing knooppunten die complexe taken zoals SLAM, computervisie en zwermcoördinatie uitvoeren. Traditioneel werden deze systemen gebaseerd op een dual-processor architectuur: een krachtige "companion computer" voor autonomie en een betrouwbare, lage-power microcontroller (MCU) voor de vluchtstabilisatie.

Door beperkingen op grootte, gewicht en vermogen (SWaP) wordt er echter gestreefd naar een geünificeerde architectuur, waarbij één krachtige System-on-Chip (SoC) zowel de missielogica als het veiligheidskritieke Vluchtbesturingssysteem (FCS) uitvoert. De uitdaging ligt in het besturingssysteem:

• Standaard Linux-kernels zijn geoptimaliseerd voor doorvoer, niet voor determinisme.
• Moderne SoCs (zoals de ARM Cortex-A76 in de Raspberry Pi 5) introduceren onvoorspelbaarheid door diepe cache-hiërarchieën, out-of-order uitvoering en gedeelde geheugencontrollers.
• Voor een vluchtbesturingsslus met een frequentie van 250 Hz (periode van 4 ms) kunnen onvoorspelbare scheduling-latency's en kernel-activaties leiden tot jitter die de stabiliteit van de vlucht bedreigt.

De vraag is of PREEMPT_RT (een patchset die Linux omzet in een hard real-time systeem) voldoende determinisme kan bieden op deze complexe, moderne hardware om een dual-processor setup te vervangen.

Methodologie

De auteurs hebben een experimenteel kader ontworpen om de prestaties van de standaard Linux-kernel te vergelijken met de PREEMPT_RT-kernel op een Raspberry Pi 5 (met een BCM2712 SoC, quad-core Cortex-A76).

1. Platform Configuratie:

   • De CPU-frequentie is vastgezet op 2,4 GHz en actieve koeling is gebruikt om thermische throttling te voorkomen.
   • CPU-isolatie: De kritieke attitude-controle-taak is gepind op Core 2, terwijl lagere prioriteitstaken (logging, telemetrie) op Core 3 draaien. De SMP-balancing algoritmen zijn uitgeschakeld voor deze kernen.
   • De dynamica van het vliegtuig wordt gesimuleerd (geen fysieke I/O) om de CPU-scheduler te isoleren van hardware-rijstijden.

2. Workload en Stress:

   • De FCS draait op een periode van 4 ms (250 Hz).
   • Er is gebruikgemaakt van de tool stress-ng om een realistische, zware belasting te simuleren die kenmerkend is voor autonomie-stacks (CPU-berekeningen, geheugenstress voor cache-thrashing, en kernel-context switches).
   • Verschillende scheduling-beleidsopties zijn getest: SCHED_OTHER, SCHED_FIFO, SCHED_RR en SCHED_DEADLINE.

3. Analyse:

   • Er zijn 32 unieke tests uitgevoerd (16 configuraties per kernel).
   • Diepgaande analyse van de kernel-activatiepaden (via perf en kernel-traces) om te onderscheiden tussen software-scheduling en hardware-geheugencontentie.

Belangrijkste Bijdragen

1. Kwantitatieve Benchmark: Een gedetailleerde prestatie-analyse van een 250 Hz controlelus op een moderne multi-core SoC, waarbij scheduler-gedrag wordt gescheiden van bus-latency.
2. Architecturale Inzicht: Identificatie dat de standaard kernel's afhankelijkheid van Deferred Execution (SoftIRQs) de primaire oorzaak is van latency-pieken (> 9 ms), terwijl PREEMPT_RT via een Direct Activation Path deze met 88% reduceert.
3. Empirische Validatie: Het aantonen dat hoewel PREEMPT_RT scheduling-variatie effectief begrenst, de resterende jitter op moderne SoCs voornamelijk wordt gedreven door hardware-geheugencontentie (L3-cache en DRAM-bandbreedte), niet door de scheduler zelf.

Resultaten

1. Standaard Kernel vs. PREEMPT_RT:

• Standaard Kernel: Onder zware stress vertoonde de standaard kernel worst-case latencies van meer dan 9 ms (bijv. 9424 µs), wat ver boven de 4 ms periode ligt. Zelfs met real-time beleid (SCHED_FIFO) traden er pieken op tot 1848 µs.
• PREEMPT_RT Kernel: Deze kernel reduceerde de worst-case latency met bijna 88%. De maximale latency voor real-time beleidsregels bleef onder de 225 µs (bijv. 224 µs voor SCHED_FIFO), wat ruim binnen de veilige marge voor een 250 Hz lus valt.

2. Analyse van Activatiepaden:

• Standaard (Deferred Path): Een timer-interrupt triggert eerst een SoftIRQ (vaak verwerkt door ksoftirqd of ktimers). Dit introduceert vertragingen en extra context switches voordat de taak wordt opgewekt. Traces toonden een vertraging van >100 µs voordat de taak zelfs maar begon.
• PREEMPT_RT (Direct Path): Interrupt-handlers worden omgezet in preemptibele threads. De hardware-timer wekt de taak direct op, wat leidt tot een wake-up latency van slechts 7 µs.

3. Oorzaak van Resterende Jitter:
Zelfs met PREEMPT_RT en geïsoleerde kernen bleef er een resterende jitter van 200–225 µs over. De analyse toonde aan dat de uitvoeringstijd van de controle-algoritme zelf toenam van ~3,8 µs naar ~51 µs onder stress. Dit wijst op cache-vervuiling: "noisy neighbor"-threads op andere kernen vullen de gedeelde L3-cache en de DRAM-bandbreedte, waardoor de controle-taak langzamer moet wachten op data uit het hoofdgeheugen.

4. Vergelijking met MCU:

• Een traditionele MCU (zoals STM32F7 met FreeRTOS) heeft een jitter van ~10-20 µs.
• De Raspberry Pi 5 met PREEMPT_RT heeft een jitter van ~224 µs (ongeveer 10x hoger).
• Echter, gezien de 4000 µs periode van de controlelus, vertegenwoordigt de 224 µs slechts 5,6% van de tijdsbudget. Dit wordt als acceptabel beschouwd voor vluchtstabiliteit, terwijl de Pi 5 wel orders van grootte meer rekenkracht biedt voor autonomie.

Betekenis en Conclusie

Het onderzoek concludeert dat de standaard Linux-kernel ongeschikt is voor veiligheidskritieke vluchtbesturing op moderne SoCs vanwege de hoge en onvoorspelbare latencies.

Daarentegen biedt PREEMPT_RT een haalbare oplossing voor geünificeerde UAV-architecturen. Het kan de scheduling-variatie beperken tot niveaus die veilig zijn voor 250 Hz controlelussen, waardoor de noodzaak voor een aparte microcontroller voor de basisvluchtbesturing kan worden weggelaten. Dit stelt UAV-ontwerpers in staat om complexere autonomie-functies (zoals visuele navigatie) direct op dezelfde chip te draaien.

Beperkingen en Toekomst:
De studie isoleerde CPU-scheduling van I/O. Voor een volledig werkend systeem moeten ook device drivers (voor sensoren en actuatoren) real-time compatibel zijn (bijv. via Userspace I/O of DMA), aangezien standaard Linux-drivers nog steeds onbeperkte latencies kunnen introduceren. Toekomstig werk moet zich richten op het integreren van echte sensor- en actuator-I/O en het onderzoeken van het vermogensverbruik versus real-time prestaties.