在 Linux 上使用实时调度策略运行应用程序

大家好！我是大聪明-PLUS！

2025年10月，举行的"工业自动化：向开放式ICS过渡"论坛上，我与同事们就带有实时补丁的Linux进行了一次有趣的讨论。我们探讨了各种有趣的话题，包括使用虚拟机管理程序、核心分配以及与QNX的区别。我们还讨论了供应商何时会推出针对此类嵌入式系统的解决方案。我向同事们保证，基于Linux的操作系统开发人员会关注并处理所有社区请求，但正如常有的情况一样，工作量超出了团队的能力范围。

我们约定由我撰写一份简短指南，解释如何优化响应时间。我想指出的是，我并非试图证明安装了 PREEMPT_RT 补丁的 Linux 是一个真正的实时操作系统。在我看来，它并非如此，这是其设计使然，与 QNX、VxWorks 和 ThreadX 不同。

我将以 repka-pi 3 ver. 1.6 单板计算机为例，因为我会定期在其上测试软件。

1）安装带有 PREEMPT_RT 补丁的内核。

开发者们已经提供了一个包含 PREEMPT_RT 补丁的内核，我们对此非常感激。我们使用 repka-config 工具选择此内核。

选择 Linux 内核

等待安装完成并重启。之后，使用 *`uname -a` 命令检查所有组件是否已安装并启动。*并检查内核版本是否为 6.1.11-rt7。

2）删除不必要的应用程序和服务。

一切都很清楚很简单：占用处理器时间的应用程序越少越好。甚至可以安全地禁用图形用户界面。

3）规划政策的选择。

已安装的 PREEMPT_RT 补丁并未表明我们需要的应用程序运行在实时调度策略下，因为它运行在默认调度器 CFS（完全公平调度器）下。CFS 旨在确保所有进程获得公平的 CPU 时间，并使用红黑树数据结构来跟踪进程及其 CPU 时间。CFS 根据进程的权重和已使用的 CPU 时间量来分配 CPU 时间。

Linux 操作系统上可用的实时调度策略：

先进先出（FIFO）调度是一种简单的先进先出调度器，它将最高优先级分配给优先级最高的任务。FIFO 调度器用于确保实时任务能够获得足够的 CPU 时间，而不会被低优先级任务中断。在该策略中，任务的优先级从 1 到 99，1 为最低优先级，99 为最高优先级。

要查看 FIFO 调度器中正在运行的应用程序，可以使用以下命令：
复制代码
```
ps -eLo rtprio,cls,pid,pri,nice,cmd | grep "FF" | sort -r
```
RR------轮询调度算法。这种轮询调度器用于确保实时任务获得所需的 CPU 时间，同时避免牺牲低优先级任务的 CPU 时间。基于轮询调度，该算法会为循环队列中的每个任务分配固定的时间。当时间到期时，该任务会被移至队列末尾，下一个待执行的任务将获得其分配的时间，无论前一个任务是否已执行完毕。这确保了所有任务都能公平地获得 CPU 时间，并且不会出现任务没有分配到时间的情况。在该策略中，任务被赋予 1 到 99 的优先级，其中 1 为最低优先级，99 为最高优先级。

要查看 RR 调度器中正在运行的应用程序，可以使用以下命令：
复制代码
```
ps -eLo rtprio,cls,pid,pri,nice,cmd | grep "RR" | sort -r
```
EDF（提前截止优先）采用基于截止时间的调度算法，确保进程满足其截止时间要求。截止时间调度器针对需要保证 CPU 时间的实时应用程序进行了优化。截止时间调度策略使用 GEDF（全局提前截止优先）算法实现，该算法根据进程的截止时间分配 CPU 时间。GEDF 算法通过尽早将进程调度到 CPU 来确保进程满足其截止时间要求。

一次性任务由一系列子任务组成，每个子任务在每个周期内最多激活一次。每个子任务都有一个相对截止时间**，** 表示其完成时间，以及一个计算时间**，** 表示执行该子任务所需的处理器时间。由于有新任务需要执行，子任务准备就绪的时刻称为到达时间**。** 开始时间表示子任务开始执行的时间。因此，绝对截止时间由相对截止时间加上到达时间确定**。**

提前截止

使用 sched_setattr 系统调用配置线程时，您可以指定三个参数：运行时（Runtime ）、截止时间（Deadline ）和周期（Period）。

这些设置可能并不总是符合前面提到的条件：通常，执行时间设置为高于平均处理时间（或最坏情况执行时间），截止时间设置为与相对截止时间相匹配，周期设置为与任务持续时间相匹配。

要使用此类调度程序运行应用程序，请使用以下命令：
复制代码
```
chrt -d -T <runtime> -D <deadline> -P <period> <command> <command options>
```
在哪里：
运行时间：分配给任务的执行时间。
截止日期：任务必须在期限开始后的多长时间内开始并完成。
周期：执行该操作需要多长时间才会重复执行。

所有数值均以纳秒为单位。

必须遵循以下规则：运行时长 <= 截止时间 <= 周期。

省略任何参数都将导致以下结果：
如果省略运行时值，则运行时将设置为截止时间值。
如果省略截止日期时间值，则截止日期将设置为周期值。
如果省略"周期"时间值，则"周期"将设置为"截止日期"值。

应用程序启动语句示例：
复制代码
```
chrt -d --sched-runtime 1000000 --sched-deadline 5000000 --sched-period 5000000 ./имя_приложения
```
要查看在 EDF 调度程序（deadline）中运行的应用程序，可以使用以下命令：
复制代码
```
ps -eLo rtprio,cls,pid,pri,nice,cmd | grep "DL" | sort -r
```

值得注意的是，操作系统中包含使用不同调度策略运行的应用程序，而这些调度策略各自具有不同的优先级：

EDF------首要任务。
先进先出/轮转 - 第二优先级。
CFS - 第三优先级。

例如，优先级为 99 且通过 FIFO 或 RR 调度的任务不会中断通过 EDF 调度器启动的正在运行的任务。只有通过 EDF 调度且截止时间更近的任务才能中断它。此外，使用高于 90 的优先级时要格外小心，因为这可能会导致与操作系统进程冲突。

在启动所需应用程序之前，您应该在 limits.conf 文件中配置用户限制：

复制代码

sudo` nano /etc/security/limits.conf `

我们在这里添加两行：

保存文件，为了以防万一，重启操作系统或重新登录，然后在所需的调度程序中启动所需的应用程序。

4）禁用CPU频率调节。

CPU频率在运行过程中可能会发生变化，从而改变硬件性能。

CPU频率调节
为此，您需要安装 cpufrequtils 软件包。为此，请使用以下命令：

复制代码

sudo` apt install cpufrequtils `

让我们编辑 cpufrequtils 配置文件

复制代码

ENABLE="true"`
`GOVERNOR="schedutil"`  
`MAX_SPEED="648000"`    
`MIN_SPEED="648000"`    `

可用的州长选项：

性能 --- 将频率固定在允许的最大值。
节能模式 - 固定最低频率
按需模式 - 在可用范围内，根据负载动态提高频率（平衡性能和功耗）。
保守型------类似于按需模式，但频率变化更平滑，避免突变。
Schedutil 是一种现代算法，它利用 Linux 任务调度器数据来优化频率。

保存文件后，重启操作系统并检查一切是否正常运行。

5）CPU核心隔离

需要注意的是，通过 taskset 进行分配时，操作系统可能会将其他任务分配给这些核心。

为防止这种情况发生，您需要更改内核启动参数。

6) 设置 I/O 操作的优先级

c1 是一个实时类。

n0 是 I/O 调度优先级，取值范围为 0 到 7，其中 0 为最高优先级。

以上所述只是普通用户解决自身问题的一些方法。

必须理解，所有组件及其之间的交互对于开发实时系统都至关重要。仅仅使用实时操作系统（RTOS）并非万能灵药；必须正确使用，并且在为其开发的软件中必须考虑其功能和局限性。