1.1 实时Linux发展历史

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于 2025-12-03 11:31:14 首次发布

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1.1 实时Linux发展历史

1.1.1 实时系统概况

实时系统（Real-Time System, RTOS）是一类强调任务执行时间可预测性的操作系统。在这类系统中，任务的响应时间比吞吐量更为关键。实时系统一般分为硬实时和软实时：

硬实时：任务必须在规定时间内完成，否则系统视为失败。典型应用包括工业控制、机器人操作、航空航天控制等。

软实时：任务尽量按时完成，但允许偶尔延迟，常见于多媒体播放、通信系统等。

Linux 操作系统本身设计为通用操作系统，并非针对硬实时优化，因此在严格实时任务中存在抖动（jitter）问题。为改善 Linux 的实时性，出现了两类主要方案：

单内核架构：提升 Linux 内核自身实时性。
双内核架构：在硬件上同时运行实时内核和 Linux 内核。

1. 单内核架构

为了提升 Linux 内核自身实时性，需要对Linux内核的内部进行实时改造，尽可能减少内核不可抢占的代码。

Preempt-RT（Real-Time）是一个对标准Linux内核的补丁集，旨在将Linux从一个分时操作系统转变为一个具备强实时能力的操作系统。它通过一系列关键机制改造内核，减少和消除不可抢占的延迟源，从而实现近硬实时的响应能力。

Preempt-RT在2015年成为Linux Foundation的正式项目“Real Time Linux Collaborative Project”，于2024年9月被正式合并进Linux主线内核。从 Linux 6.12版本开始，不再需要为内核单独打PREEMPT_RT补丁来获得实时能力。

以下是Preempt-RT改造Linux内核实时性的主要技术手段：

可抢占内核（Fully Preemptible Kernel）
将原本在内核态执行时不可抢占的临界区（如自旋锁保护的区域）改造为可被高优先级任务抢占，实现内核态任务的抢占式调度。
将自旋锁（spinlock）转化为可休眠的互斥锁（mutex）
将传统的自旋锁替换为基于等待队列的可抢占互斥锁（如rtmutex），避免在高优先级任务等待锁时忙等，防止优先级反转并允许调度。
实现可抢占的中断处理线程化（Threaded IRQs）
将大部分硬件中断处理程序（ISR）转化为内核线程运行，赋予其调度优先级，使高优先级中断处理可抢占低优先级中断处理。
优先级继承（Priority Inheritance）机制
在rtmutex中实现优先级继承，解决因资源竞争导致的优先级反转问题，确保高优先级任务能尽快获得资源。
可抢占的内核抢占点（Preemption Points）增加
在内核代码中插入更多安全的抢占点（如在长循环、系统调用返回路径等），确保高优先级任务能及时获得CPU。
延迟减少：消除不可抢占的临界区（如Big Kernel Lock, BKL）
移除或替换全局锁（如旧版的BKL），减少大范围不可抢占代码段，降低最大关抢占延迟。
高精度定时器（hrtimer）与实时调度器集成
基于高精度定时器实现更精确的调度和唤醒机制，支持微秒级调度精度，提升实时任务的响应确定性。
软中断（softirq）线程化（Threaded Softirqs）
将延迟敏感的软中断（如网络、调度相关）转化为可调度的内核线程（如ksoftirqd/0），使其可被高优先级任务抢占。

2. 双内核架构

双内核架构是指在硬件之上运行一个实时内核，把Linux内核当成一个普通的进程，其代表有RTLinux、RTAI和Xenomai。

RTLinux、RTAI 和 Xenomai 是 Linux 实时化发展史上三个具有代表性的实时扩展框架，它们均采用“双内核”（Dual-Kernel）架构，通过在标准 Linux 内核之外运行一个轻量级的实时内核来实现硬实时能力。

特性	RTLinux	RTAI	Xenomai
诞生时间	1996 年	1999 年	2001 年
架构	双内核	双内核	双内核 + Adeos 中断虚拟化层
实时性	微秒级延迟	微秒级延迟	微秒级延迟，更稳定
API 支持	自定义 FIFO/共享内存	RTAI API	多种“皮肤”（POSIX, pSOS, vxworks 等）
与 Linux 集成	较弱	中等	强（支持多种通信机制）
维护状态	已停止	维护减少	活跃
典型应用	早期实时控制	教学、运动控制	工业自动化、机器人、嵌入式

RTLinux（Real-Time Linux）

由新墨西哥理工学院的 Victor Yodaiken 于 1996 年提出并开发。
是最早实现 Linux 实时化的项目之一，开创了“微内核 + 宏内核”协同工作的双内核模式。
2002 年被 Wind River（风河）公司收购，后续发展受限，开源版本逐渐停滞。

RTAI（Real-Time Application Interface）

起源于 1999 年，由意大利比萨大学等研究机构开发。
最初是作为 RTLinux 的改进和开源替代方案，旨在解决 RTLinux 的闭源问题。
基于 RTLinux 思想，但采用更灵活的模块化设计。
仍在维护，但活跃度下降。最新的版本是2021/5/19发布的RTAI 5.3，适配Linux 4.19，主页上宣称支持的硬件是x86和x86_64，对ARM的支持处于rework中。

Xenomai

项目始于 2001 年，最初目标是为工业自动化提供实时支持。
早期基于 RTAI 技术，后发展为独立项目。
与 RTAI 并行发展，但在架构设计上更注重可移植性和多内核抽象。
持续支持新硬件架构（x86, ARM, RISC-V 等）和新内核版本。
广泛应用于工业控制、CNC、机器人（如 ROS 2 实时扩展）、汽车等领域。
目前最活跃和广泛使用的双内核实时 Linux 框架。

2. PREEMPT_RT 与 Xenomai 对比

综上所述，单内核的终极方案是 PREEMPT_RT，双内核最活跃和广泛使用的方案是 Xenomai。

随着 PREEMPT_RT 在 Linux 6.12 中合入主线，基于单内核的实时方案正成为主流。然而，在对实时性要求极高的场景中，Xenomai 双内核方案仍具有不可替代的优势。

更高实时确定性
基于中断虚拟化层，实现微秒级甚至亚微秒级中断响应，延迟抖动极小，满足硬实时（Hard Real-Time）要求。
更强的执行隔离
实时任务运行于独立的实时内核域，与 Linux 内核行为（如页错误、调度延迟、内存回收）完全隔离，避免非实时干扰。
多 RTOS API 兼容性（Skin 架构）
支持 POSIX、VRTX、μC/OS、LWIP 等多种实时接口，便于传统嵌入式应用迁移与跨平台集成。
更低的内核版本依赖
通过 Adeos 抽象层与主内核解耦，兼容性高，适用于长期维护的定制化嵌入式系统，升级维护成本低。
更优的混合关键性支持
适用于混合关键性系统（Mixed-Criticality Systems），可同时运行高确定性实时任务与通用 Linux 应用，互不干扰。

尽管 Xenomai 在实时性上更强，但 PREEMPT-RT 也有其优势：

集成度高：无需额外框架，开箱即用（Linux 6.12+）。
开发简单：使用标准 Linux 工具链和 API。
社区支持好：主线内核支持，长期维护。
更适合软实时应用：如音视频处理、机器人控制（非安全关键）。

从实际应用场景对比：

方案	推荐场景
Xenomai	工业控制、运动控制（CNC、机器人关节）、高速采集、安全关键系统等硬实时场景
PREEMPT-RT	音视频处理、软实时控制、ROS 2 实时扩展等对部署简易性要求高的场景

实际上 Xenomai 提供 Mecury 单核模式，在 PREEMPT-RT 基础上提供多种实时API。但是缺少用户反馈，发展的不好，现在基本不再维护。

1.1.2 Xenomai 发展历史

2001 年
项目启动，由 Philippe Gerum 等开发者发起，目标是构建一个高确定性实时框架。初期基于 RTAI 2.x 架构，运行于 Linux 2.4 内核之上。
“Xeno-” 是一个源自希腊语的词根，意思是“外来的”、“陌生的”或“客人”。“xeno-” 作为前缀，广泛用于构成表示“与外来者、异己或异质事物相关”的词汇。
在计算机领域，带有“外来”或“异构”的意味，契合双内核架构本质。“-mai”后缀是为了发音方便，并没有特定的含义。
2003 年
发布 Xenomai 1.0，首次引入 Adeos（Adaptive Domain Operating System）中断虚拟化层，实现对 x86 架构的完整支持。Adeos 使 Xenomai 实时内核能以最高优先级截获中断，Linux 内核降级为普通域运行。
尽管 Adeos曾经在 Linux 实时领域占据重要地位，但是目前社区活跃度较低，缺乏新的共享和讨论。
2005 年
推出 Xenomai 1.2–1.4 系列，逐步完善对 PowerPC、ARM、IA-64 等架构的支持。提出“皮肤（Skin）”架构，实现 POSIX、VRTX、RTAI 等 API 的模块化封装，提升可移植性。
2007 年
发布 Xenomai 2.4，成为 2.x 系列成熟版本。支持 Linux 2.6x 内核，广泛应用于工业控制设备（如 Sercos III 驱动、PLC 控制器）。
2011 年
Xenomai 2.6 系列发布，适配 Linux 3.x 内核。
2013 年
启动 Xenomai 3 重大重构，引入 Cobalt 实时内核，将核心功能从“补丁式内核模块”转向更模块化、可配置的实时运行时。
2014 年
宣布将在 Xenomai 3集成 RTNET 实时网络协议栈。
2015 年
发布 Xenomai 3.0，标志 Cobalt 内核正式上线。支持 alchemy、posix、native、vxworks等多种 API 接口。用户态实时任务通过 rtdm（Real-Time Driver Model） 与内核通信。
2016 年
发布 Xenomai 2.6.5，成为 2.x 系列最终版本。
2020 年
Xenomai 3.1 发布，支持 Linux 4.19 内核，优化 ARM64 架构性能，不再支持 blackfin 和 powerpc64 架构。引入 shadow syscall 机制，提升系统调用拦截效率。
2021 年
Xenomai 3.2 发布，适配 Linux 5.10 内核。在中断管道层面，不仅支持 I-pipe，还支持其继任者 Dovetail 。
快速推出了 Xenomai 3.2.1 版本，修复了支持 Dovetail 时的问题。
2024 年
Xenomai 3.3 发布，支持 Linux 5.10/5.15/6.1/6.12 内核。
2024 年至今
Xenomai 3.x 持续维护中，最新版本为 Xenomai 3.3.2。
同时开发 Xenomai 4 版本，进一步增强扩展性和适配性。