【Note】Linux Kernel 实时技术深入：详解 PREEMPT_RT 与 Xenomai

Linux Kernel 实时技术深入：详解 PREEMPT_RT 与 Xenomai

实时性（Real-Time）是嵌入式系统、自动驾驶、机器人等场景的基本要求。Linux 社区提供两种主流方案：单核内核补丁 PREEMPT_RT 与"协同内核"方案 Xenomai。本文全面对比它们的架构、源码差异、构建流程及实际调试方法。

一、PREEMPT_RT：单核硬实时补丁

1. 架构与设计目标

目标是将 Linux 内核几乎所有路径转换为可抢占；
原理包括：将大锁（如 big kernel lock）转化为自旋锁，允许被抢占；中断以线程形式处理；
2024 年随着内核 6.12 发布，PREEMPT_RT 已正式合入主线内核，ARM64、x86、RISC‑V 等架构全面支持 (Wikipedia)。

2. 核心源码变化

全局锁：替换 raw_spinlock_t 为实时自旋锁 rt_spinlock_t；
异步中断：IRQ 处理改为 IRQ thread，将中断上下文变为可抢占线程；
调度和时钟中断修改为高分辨率计时器；
新增 SCHED_DEADLINE, SCHED_FIFO, SCHED_RR 实时调度类 (jack23247.github.io)。

3. 构建流程

bash 复制代码

# 下载内核与 PREEMPT_RT 补丁
wget linux-5.15.x.tar.gz
wget patch-5.15.x-rtYY.patch.xz
tar xf linux-*.tar.gz
xz -d patch-*.xz
patch -p1 < patch-*.patch
# 配置启用 RT
make menuconfig # 选择 Fully Preemptible Kernel (RT)
make -j$(nproc)
sudo make modules_install && sudo make install
reboot 入内核 -rt 版本
uname -r # 确认带 -rt 字样

这套流程可在 modern Ubuntu 上执行 (acontis.com, jack23247.github.io)。

4. 使用与性能表现

系统表现更低的中断延迟，99% 延迟可控在几十微秒 (forums.fedoraforum.org)；
降低了抢占锁（lock）范围，替换常驻大锁路径；
引入调试与追踪工具（ftrace、trace-cmd）分析抢占点。

二、Xenomai：协同内核方案

1. 架构模式

Xenomai 3 支持两种模式 (DEV Community, v3.xenomai.org)：

Cobalt（Dual-Kernel）：在 Linux 之上构建微内核，通过 I‑pipe（中断管线）接管中断，实现硬实时；
Mercury（Single-Kernel）：基于主线内核，依赖 PREEMPT_RT 补丁提高实时性。

2. 核心机制

协同内核采用 I‑pipe 筛取中断，Cobalt 拦截关键事件确保实时响应；
提供 RTDM 驱动模型及 RTOS 风格 API（如 Alchemy、POSIX/Cobalt）；
Dual‑kernel 模式中拥有更低且可预测的延迟，适合严格硬实时需求 (v3.xenomai.org, Number Analytics, cs.ru.nl, Wikipedia)。

3. 构建流程示例

bash 复制代码

wget xenomai-3.x.tar.bz2 && tar xf xenomai-3*.tar.bz2
cd xenomai-3.x
./scripts/prepare-kernel.sh --linux=/path/to/linux --arch=arm64
# 选择 cobalt 模式移植或 mercury 配合 PREEMPT_RT
cd /path/to/linux
make menuconfig # 修改为 Xenomai 相关选项
make -j && make modules_install && make install
cd ../xenomai-3.x
./configure --with-kernel=... && make && sudo make install

具体源码逻辑包括 skins/, cobalt/, mercury/ 模块 (foundries.io, YouTube, v3.xenomai.org, Indico)。

4. 使用要点

编写实时任务时使用 Xenomai API，如：

c 复制代码

#include <alchemy/task.h>
RT_TASK task;
rt_task_create(&task, "foo", 0, 99, 0);
rt_task_start(&task, &func, NULL);
rt_task_join(&task);

在 dual‑kernel 模式，RTDM 驱动可激活硬实时中断；
Mercury 模式适合对 Linux 驱动兼容性高的项目。

Building Hard Real‑Time Linux Systems with Xenomai

（以上视频展示了 Xenomai/Kern 协同内核运行时如何实现硬实时场景）

三、对比总结

特性	PREEMPT_RT（Single-Kernel）	Xenomai Cobalt（Dual-Kernel）
内核结构	单一内核、全路径可抢占	双核模式，有专用实时内核
中断处理	IRQ 作为线程处理，延迟可控	I‑pipe 由 Cobalt 直接接管中断，延迟极低
API 支持	POSIX / SCHED_* 实时接口	支持 RTOS Skin（Alchemy、VxWorks 模拟）
维护与稳定性	已合入主线，自带长期支持	需要特定打补丁，维护稍复杂
适用场景	低中实时延迟需求，如工业自动化、视频处理	严格硬实时，如电机控制、精密系统实现

四、如何选择？

时间延迟 <100 μs，且系统对中断抖动敏感 → 使用 Xenomai Cobalt；
成本最低、易维护 → 使用 PREEMPT_RT 内核即可；
已有 RTOS 应用迁移 → Xenomai 提供 RTOS API 兼容性。

五、实践建议

若系统只需低延迟与高 POSIX 兼容性，编译启用 PREEMPT_RT；
若需精度更高或已有 RTOS 代码基础，选 Xenomai dual‑kernel；
利用 trace-cmd, cyclictest, rt-tests 测量延迟；
始终使用调度策略（SCHED_FIFO），并设置 CPU pin 与 IRQ affinity。

总结

PREEMPT_RT 和 Xenomai 是 Linux 实时扩展的两条成熟路径；
前者易用可维护，后者延迟极低、适合高精度实时应用；
构建过程现代化，已在 Yocto、Buildroot 中广泛支持；
选择应根据系统时延、代码兼容性与后期维护成本综合评估。