正文

大家好，我是bug菌~

前段时间项目对实时性要求比较高，于是就抽了一些时间研究了一下Linux实现强实时性的一些解决方案，总结起来 Linux 实现强实时性其实主要就这三种主流架构路线，Preemption 实时系统、Xenomai 实时系统和AMP 双系统 。下面bug菌将跟大家挨个介绍一下它们，以便后续同志们用Linux系统做项目的时候能够正确决策。

1. Preemption 实时系统 (基于 PREEMPT_RT)

这种方式就是直接改造标准 Linux 内核本身，使其具备更强的实时能力。给Linux内核打上PREEMPT_RT（Real-Time）补丁，现在最新的Linux内核版本这RT---CONFIG_PREEMPT_RT已经合并到了主线，所以你也不用在自己去打补丁了。

RT补丁主要的实现：

以最大化内核可抢占性 : 几乎所有内核代码执行路径，包括系统调用、中断处理程序结尾，都可以被更高优先级的实时任务抢占，不再有大内核锁(BKL)等长期持有的粗粒度锁。

中断线程化 : 将大部分硬件中断处理程序转换为内核线程,也称为 IRQ Threads，这些线程具有可设置的调度优先级（SCHED_FIFO）， 高优先级的实时任务可以抢占正在运行的中断线程，这样就避免中断处理程序长时间占用 CPU 而阻塞实时任务。

自旋锁转化 : 将可能导致优先级反转的内核自旋锁替换为优先级继承互斥锁（RT Mutex）。 当发生优先级反转时比如说 低优先级任务持有锁，阻塞了高优先级任务，那么低优先级任务能临时继承高优先级任务的优先级，尽快释放锁。

高精度定时器：提供微秒级精度的定时和休眠，要提高更好更快的实时性可以tick更小。

所以通过上面大部分手段，Linux应用基本上与标准 Linux 无缝集成，应用开发完全沿用 Linux API（如 POSIX 线程，支持 SCHED_FIFO/SCHED_RR），集成度非常高，并且社区支持度强，基本上后续都是跟着主线版本在走的，简单好用。

缺点也是有的，就是理论最坏情况延迟相对后面的两种方案会差一点，不过达到十微秒到百微秒级别还是没什么问题的，bug菌采用这种方案做过一段时间的压力测试还行。

2. Xenomai 实时系统

这种方案主要是在 Linux 内核旁边并行运行一个轻量级的硬实时内核 (Nanokernel / Cobalt)。通过优先级反转机制保证实时核总能优先执行。

主要采用双内核架构

实时域 ： 一个微秒级别的硬实时核心，运行 Xenomai 实时任务。有自己的调度器（通常基于优先级/时限）。

非实时域： 标准的 Linux 内核及其所有用户进程。

一些需要硬实时响应的关键硬件中断，会被底层管道截获并路由到实时内核处理。只有当实时内核无事可做时，中断才会传递给 Linux 内核处理。 在需要时（如实时任务阻塞），快速切换到 Linux 非实时域运行。 由于是双内核，双核通信需要提供专门的机制，比如一些消息/信号传递让实时域任务与非实时域 Linux 进程进行通信，而且实时核的API也不同，更倾向于移植传统 RTOS 代码和应用开发。

如果需要极低的确定性延迟，比如10us以下的微秒级，或者需要双核隔离等，可以考虑使用。毕竟打补丁、配置和维护比较困难，甚至还要专门去熟悉一套API，至少不是那么简单好用。

3. AMP 双系统 (Linux + HAL)

这种解决方案也是目前各大厂家陆续推出的异构平台，比如stm32mp157、257；TI AM6253；NXP的9352,；RK3562等等， 利用非对称多处理 (AMP) 硬件（通常是异构多核 SoC），将 Linux 和一个专用的硬实时操作系统 (RTOS) 或 裸机实时 HAL 层分别运行在物理隔离的 CPU 核心上，所以玩法多样，对于SMP多核系统可以单独隔离CPU来跑HAL挺多模组厂家是这么玩的，把MPU和MCU结合到了一起。

相比Xenomai软件上的隔离，AMP实现了硬件隔离：CPU 核心之间通常只有有限的、低延迟的硬件通信通道（如 Mailbox, RPMSG, Shared Memory）。

这种方案实时核M核独占物理核心，零干扰，可实现纳秒级到微秒级的极低延迟，Linux 内核崩溃、卡死或被攻击通常不影响运行在独立核心上的实时任务。而且像STM32MP2的RIF安全隔离框架更是给资源的安全分配带来了强有力的保障。

不过这种方案的开发复杂度也不小，Linux 与实时核之间通信的延迟和带宽可能成为系统瓶颈，重点是开发和调试需要两套工具链、两个开发模型（Linux vs RTOS/裸机）

4. 以后如何抉择呢？

1. 需要平衡性能和兼容性？ 且实时性要求在几十到百微秒级？ → PREEMPT_RT。

2. 需要接近Linux但要求更严格的硬实时？ 需要微秒级确定性？ 或者需要移植传统RTOS代码？ → Xenomai。

3. 需要最高级别的实时性、隔离性或安全性？ 对延迟要求达到纳秒/微秒级？ 需要在硬件层面隔离故障？ 或有特定的AMP硬件？ → AMP (Linux + RTOS/HAL)

最后

      好了，今天就跟大家分享这么多了，如果你觉得有所收获，一定记得点个赞~

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