Xenomai 实时系统系列（一）：Linux 很快，但不一定准时

本章从一个电机控制任务出发，认识实时性，再比较两条路线：PREEMPT_RT 和 Xenomai 3 Cobalt。

1. 先讲一个会迟到的电机控制器

假设你写了一个电机控制程序，每隔 1 ms 读取传感器、计算误差，再输出控制量。代码逻辑正确，CPU 占用也不高，你甚至已经开始想庆功吃什么了。

结果电机偶尔抖一下。

排查后发现：大多数控制周期都很正常，某一轮却晚了十几毫秒。计算公式没错，但轮到结果出场时，现场已经不是刚才那个现场了。

控制系统需要答案正确，也需要答案及时到达。

图 1：以截止时间等于周期的任务为例。等待、计算和输出，都要算进这一轮的时间预算。

这里先认清两个词：周期是任务多久来一次，截止时间是某次任务最晚什么时候完成。两者可以一样，也可以不一样。

超过截止时间的后果也有轻重。硬实时需求不允许错过规定的截止时间；软实时需求则可能容忍少量超时，只是质量会下降。电机超时是否会造成危险，要看控制策略和设备，不能只凭“电机”两个字就下结论。

本系列更关注需要严格时间预算的控制和采集任务。

2. 平均成绩好，不代表每次都准时

先看两组人为构造的延迟样本：A 组前五次很漂亮，第六次突然冒出大尖峰；B 组没有那么抢眼，但相当稳定。

图 2：这是概念示例，不是两种内核的测试结果。柱高经过示意处理，真实数值见标注。

只截取 A 组前五次，你会得到一张漂亮成绩单。把第六次也放进来，结论立刻变了。实际长时间测试中，少量尖峰还可能被大量正常样本“稀释”，让整体平均值仍然很好看。

因此，我们既看平均值，也看最大观测值、延迟分布和超时次数。如果任务预算只有 100 μs，那么“平均 30 μs”并不能替偶发的 2 ms 开脱。

实时系统关心的是：在约定的运行条件下，任务能不能守住截止时间。

3. Linux 为什么会偶尔迟到？

先替 Linux 说句公道话：没有 PREEMPT_RT，也不代表 Linux 完全不能抢占、没有实时调度策略。普通 Linux 同样支持 SCHED_FIFO、SCHED_RR 等策略，抢占能力还取决于具体配置。

问题在于，高优先级不是一张“随时插队、立即执行”的通行证。

线程就绪时，CPU 可能还在处理硬中断或不可抢占的临界区；线程开始执行后，也可能因为锁竞争、缺页或 I/O 等待而无法及时完成。不同障碍发生在不同位置，不能全部塞进“调度器太慢”这个筐里。

图 3：任务开始运行，只说明它拿到了 CPU，不说明这一轮控制已经完成。

这张图也解释了一个常见误会：定时唤醒延迟是 5 μs，不等于整个控制回路只需要 5 μs。传感器传输、控制算法、驱动访问和执行器输出，都还有自己的时间成本。

怎样减少这些不受控的等待？接下来有两条路线。

4. PREEMPT_RT：先把 Linux 内部改得更容易抢占

PREEMPT_RT 的思路是：尽量把长时间不能打断的工作，变成能由调度器管理的执行上下文。这样高优先级任务就绪后，更容易及时抢占当前工作。Linux 官方原理说明

打个比方：原先窗口人员办一笔复杂业务，中途不能停；改造后，他能保存进度，先处理优先级更高的业务，再回来接着办。

图 4：图中的宽度不表示性能比例；重点是原先较长的不可抢占工作被重新组织了。

其中有三项关键改造：

• 中断线程化。许多设备中断处理转到可调度的 IRQ 线程中，能参与优先级安排；底层硬中断入口和部分特殊中断仍有例外。
• 改变部分内核锁的行为。spinlock_t 等采用适合 RT 的实现，竞争时可阻塞，并支持优先级继承；raw_spinlock_t 等关键锁仍保持原有的不可抢占语义。
• 减少不可抢占区。让更多内核执行路径有机会被高优先级任务打断，但不会消灭全部临界区。中断与执行上下文、内核锁类型

“优先级继承”也可以用窗口来理解：低优先级任务拿着高优先级任务要用的锁，就暂时提高持锁者的优先级，让它尽快办完、交还钥匙。它减少不必要的插队干扰，不会让锁里的慢操作凭空变快。

PREEMPT_RT 的好处，是继续沿用 Linux 的线程、系统调用和生态。不过，SCHED_FIFO、IRQ 优先级、内存锁定和驱动行为仍要配置与验证。改造了调度机制，不等于每个文件读写操作都自动拥有时间上界。

5. Xenomai Cobalt：增加一套实时协同机制

另一条路线是：让一套专门的实时核心处理关键任务，同时保留 Linux 的通用功能。

本章提到的“双内核 Xenomai”，特指 Xenomai 3 的 Cobalt 配置。这是软件架构，不是“买两颗 CPU，一颗装 Linux、一颗装 Xenomai”。Xenomai 官方安装说明

图 5：左边改造同一个 Linux 内核；右边由 Cobalt 与 Linux 协同运行。连接表示架构关系，省略了具体系统调用细节。

在图示的 Dovetail 配置中：

• Cobalt负责实时任务的调度和相关服务。
• Linux继续负责通用线程、文件系统和普通网络等工作。
• Dovetail提供中断管线和协同运行所需的机制，让带外（OOB）实时活动能优先于带内（In-band）Linux 活动执行。Dovetail 官方介绍

这里的“带内、带外”描述执行域，不是用户态、内核态的另一个叫法。Xenomai 用户态实时线程也能在带外执行。也不要把两个域直接等同于 CPU0 和 CPU1；绑核与 CPU 隔离是另外一项配置工作。

较早的 Xenomai 3 平台使用 I-pipe。阅读资料时，要先看版本和底层接口，别把 Dovetail 与 I-pipe 当成必须同时堆上的两层。

还有一个容易混淆的名字：Mercury。它是 Xenomai 3 的单内核配置，不增加 Cobalt 这样的实时协同内核，可以搭配 PREEMPT_RT。因此“Xenomai 和 PREEMPT_RT 完全互斥”这个说法不准确。Cobalt 与 Mercury 的区别

6. PREEMPT_RT 与 Cobalt，该怎么比较？

先比较工程模型，再在目标硬件上比较结果。不要先给它们贴上“一个只能软实时、一个保证硬实时”的标签。

对比维度	PREEMPT_RT	Xenomai 3 Cobalt
改造思路	增强 Linux 自身的可抢占性	实时协同内核与 Linux 配合
谁调度关键任务	Linux 调度器	带外执行时由 Cobalt 调度
应用接口	主要沿用 Linux / POSIX 接口	使用 Xenomai 支持的实时接口；普通 Linux 调用要注意执行域
驱动与 I/O	沿用 Linux 驱动体系，但须验证 RT 兼容性和时延	严格实时设备路径通常需要 RTDM 或其他经验证的实时访问方式
工程代价	调整内核配置、优先级、亲和性及驱动行为	还要维护匹配的内核基础、用户库、实时驱动和跨域边界
适合优先评估的情况	已有 Linux 应用和驱动，希望较少改变编程模型	关键闭环可独立出来，且硬件与实时驱动已有支持

表中接口与架构差异依据上述官方文档；工程代价和评估顺序是基于这些差异的实践建议。

例如，一个已有完整 Linux 驱动的软件系统，可以先评估 PREEMPT_RT 是否满足截止时间及余量；一个已经有 Cobalt/RTDM 支持的运动控制平台，则可以重点评估这条实时路径。

最终判据还是任务本身：在约定硬件、负载和故障处理条件下，端到端完成时间能否满足预算？不能脱离平台，承诺“PREEMPT_RT 一定多少微秒，Xenomai 一定多少微秒”。硬件和固件也可能引入操作系统无法完全控制的延迟。Linux 实时硬件注意事项

7. 实时线程也不能随便“串门”

用了 Cobalt，实时循环里就能随意写文件、发普通网络包了吗？

还不行。Cobalt 实时线程调用普通 Linux 系统调用时，可能切回由 Linux 管理的执行域。程序还能继续工作，但这段路径的时间性质已经变了。Cobalt 线程模式说明

一个常见划分是：关键循环负责采样、计算和控制输出；日志、普通文件 I/O 和界面通信交给非实时线程。

图 6：缓冲区必须明确容量、满队列策略和访问开销。“换个线程”本身并不能解决无限等待。

这个习惯对 PREEMPT_RT 也有价值。严格实时循环应预先准备内存、避免运行中首次缺页，控制锁的持有时间，并审查每个可能阻塞的调用。

CPU 亲和性和隔离也可以帮助减少竞争，但它们不会自动消除内存总线、缓存、DMA、硬件和固件的共享干扰。给任务分了一个核，不等于给它包了一整台机器。

8. 动手：两种工具，先学会看同样的问题

下面是入门命令，参数已按官方手册核对，本章没有在目标实时设备上执行测试。图中的数字都是教学示例。

普通 Linux / PREEMPT_RT 可使用 rt-tests 中的 cyclictest：

# 1 个测量线程，FIFO 优先级 80，周期 1000 μs，运行 60 秒
sudo cyclictest --mlockall --threads=1 --policy=fifo \
  --priority=80 --interval=1000 --duration=60 --quiet

它周期性唤醒线程，观察实际唤醒相对预定时刻的偏差。cyclictest 官方项目手册

Xenomai 3 Cobalt 则可使用自带的 latency：

# 用户态测量任务，优先级 80，周期 1000 μs，运行 60 秒
# 安装前缀不同，请相应修改路径
sudo /usr/xenomai/bin/latency -t 0 -p 1000 -P 80 -T 60

这里小写 -p 是周期，单位 μs；大写 -P 才是优先级。-t 0 测用户任务，-t 1 测内核任务，-t 2 测定时器 IRQ。本章选择 -t 0，因为要先观察用户态实时线程。latency 官方手册

两条命令采用相近参数方便理解，但工具实现和测量路径并不完全相同，不能直接把两个 Max 数字当成严格的内核横评。这里只做入门演示，尚未固定 CPU；正式比较还应统一 CPU 亲和性、周期、优先级、负载、测试时间，并核对测量起止点。

建议先记录空闲基线，再逐项加入 CPU、网络和磁盘负载，最后测试实际控制应用。每次同时保存环境与完整输出，关注最大值、分布及超时次数。

记住：Max 是这轮测试观察到的最大值，不是未来永远不会超过的保证。长测和压力测试能增加证据，仍不能替代完整路径分析与工程验证。

本章小结

实时性从截止时间出发：结果要正确，也要准时。PREEMPT_RT 通过内核抢占改造减少等待；Xenomai 3 Cobalt 则通过协同内核建立带外实时路径。两条路线都需要合适的应用写法、驱动和硬件配合。

下一章继续拆开右边那张图：Dovetail 如何分发中断，Cobalt 与 Linux 又怎样交接执行权？