【转载】xenomai内核解析之嵌入式实时linux概述 - 沐多 - 博客园

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2025/02/22/Overview-of-embedded-real-time-linux-with-xenomai-kernel-parsing

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Linux作为通用操作系统虽然强大，但缺乏硬实时性。为此，出现了三种基于Linux的实时解决方案：直接修改内核、双内核法和多核异构与实时虚拟化。PREEMPT-RT和Xenomai是最佳选择，尤其在对实时性要求高的应用场景中。

方案一：直接修改现有Linux代码

1)直接修改Linux内核源代码。

这种方法在遵循GPL协议的前提下，通过对内核代码进行适度修改，将Linux改造成完全可抢占的实时系统。主要缺点是难以确保实时进程不受非实时进程的不可预测活动干扰。该方法的代表是RT-patch（Real Preemption Patch）。

这种修改现有内核机制实现实时的方法，即PREEMPT-RT，始于2004年。随着主线内核发展，它为内核贡献了众多特性。

由于需要修改Linux众多机制来实现实时性，涉及几乎所有内核文件，导致代码修改量巨大。虽然早期PREEMPT-RT发展缓慢，但现已成为Linux实时增强的标准，广泛应用于电信、工业自动化、专业音频、医疗设备、数据采集和汽车等领域。

方案二：双内核

2)双内核法。

这种方法通过添加实时内核与Linux内核并存于内核空间，将标准Linux内核作为实时内核上的普通进程调度。相比直接修改Linux内核，重写实时调度核较为简单，因此双内核法有着超过20年的发展历史。其优势在于可实现硬实时，且便于实现新的调度策略。主要代表有RT-Linux、RTAI（Real-Time Application Interface）和Xenomai。

RT-Linux是双核法的开创者和代表作。它基于实时硬件抽象层技术RTHAL（Real Time Hardware Abstraction Layer）并获得专利。后来被WindRiver收购商业化，但于2011年8月停止更新维护，现已停止发展。

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双内核方案的发展历程如下：

1991年9月17日 Linux 发布。

RTLinux诞生于美国新墨西哥州立大学数据挖掘技术学院。RTLinux通过控制硬件和操作系统间的中断来支持硬实时操作。实时核心处理确定性所需的中断，其他中断则转发给非实时操作系统。操作系统作为低优先级线程运行，通过FIFO管道或共享内存实现实时核心与操作系统间的数据共享。

RTLinux的核心思想是将硬件置于小型硬实时系统控制之下，让整个Linux作为实时系统中的低优先级任务运行。它仅支持以内核模块形式提供实时应用。

2000年，Karim发表《操作系统的自适应域环境》论文，提出基于管道处理中断的思路，奠定了Adeos的基础。

2001年8月2日，Philippe Gerum宣布启动新的自由软件项目（GPL）XENODAPTOR。其主要目标是帮助依赖专有商业RTOS的应用程序开发者顺利迁移到基于Linux的硬实时扩展。该项目基于RTAI和RTLinux。

2002年6月6日，Philippe Gerum发布首个基于Linux 2.4.18的ADEOS补丁。几个月后，来自意大利米兰大学的RTAI项目采用了该补丁。

2003年，XENODAPTOR与RTAI项目合并，推出RTAI/fusion。这是一个基于Linux平台的工业级实时自由软件开发平台，采用Xenomai的抽象实时操作系统内核。

2005年，RTAI/fusion从RTAI分离，成为独立的Xenomai 2.0项目。尽管Xenomai和RTAI都基于ADEOS（Adaptive Domain Environment for Operating System）技术，但它们的目标和实现方式有显著差异。RTAI专注于实现最低延迟，而Xenomai除关注实时性外，还重视扩展性、可移植性和可维护性。此外，Xenomai不仅提供双核方案，还支持PREEMPT RT实时抢占补丁。

2015年，Xenomai 3.0发布，支持Cobalt和Mercury两种方式构建实时应用。

2016年，Xenomai社区开发dovetail替代难以维护的ipipe，同时催生了现今Xenomai 4实时内核EVL的雏形。

几种linux实时方案对比如下表--Linux实时性改造优缺点对比。

性能	直接修改内核	直接修改内核	双内核	双内核	双内核
ㅤ	RT-patch	其他	RT-Linux	RTAI	xenomai
实时性	好	差	好	较好	较好
硬件支持	较好	好	一般	一般	较好
API	丰富	一般	一般	一般	丰富
维护难度	易	易	难	难	难
社区活跃度	较好	差	较差	一般	良好
用户态实时任务	支持	支持	不支持	支持	支持
内核实时任务	支持	不支持	支持	支持	支持
非实时任务吞吐量	较差	-	良好	良好	良好
极限优化下WCET	30us	-	-	5us	user 5us，kernel 3us

综上所述，从硬件支持、社区活跃度、API和商业版权等方面综合考虑，preempt-RT是最佳选择。对于实时性要求更高的场景（如运动控制、数控系统、硬件在环仿真等），Xenomai则是基于Linux实时操作系统的唯一选择。当WCET要求低于3us时，如果没有CPU特殊支持，这基本已达到支持Linux硬件的极限。此时只能通过FPGA等辅助硬件，实现专用的确定性逻辑来分担实时部分的任务。

方案三：多核异构与实时虚拟化

在AMP（非对称多处理）CPU架构中，一个或多个核心运行Linux系统，而其他核心运行裸机程序或RTOS，各操作系统在调度层面实现完全隔离。

在SMP（对称多处理）CPU架构中则通过虚拟化技术实现，详见本博客关于实时虚拟化介绍

参考：

刘剑, 仲宇, 王琦. 嵌入式Linux实时性改造技术综述[J]. 航天控制, 2018, 36(2): 93-97.

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作者：wsg1100

出处：http://www.cnblogs.com/wsg1100/

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