RT 内核基础

实时(RT)系统对外部事件提供确定性的、有界的响应时间。当一个系统不存在无界延迟、其最坏情况响应时间可以精确计算、且所有任务都能在规定的抖动限制内满足其调度期限时,该系统即可称为实时系统。 Qualcomm^® Linux 提供一个基于上游 PREEMPT_RT 补丁集构建的 LTS RT 内核(6.18.x)。RT 内核面向需要确定性调度的内核空间进程。用户空间应用程序仅使用 RT 内核并不能获得 RT 行为;它们还必须使用 RT 调度策略(SCHED_FIFO / SCHED_RR)编写,并绑定到隔离的 CPU 核心上。

PREEMPT_RT 如何改变内核

标准 Linux 内核(CONFIG_PREEMPT 或 CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY)允许某些临界区以不可抢占方式运行,导致无界的调度延迟尖峰。PREEMPT_RT 通过以下方式消除这一问题:

改变	效果
将自旋锁转换为可睡眠互斥锁(RT 互斥锁)	临界区变得可抢占,降低最坏情况延迟
默认将中断处理程序线程化	ISR 作为具有可配置优先级的内核线程运行,将其从不可抢占的中断上下文中移出
序列化 RCU(读-复制-更新)回调	RCU 回调在专用线程而非 softirq 上下文中运行,减少抖动
将 `local_lock_t` 转换为每 CPU 可睡眠锁	每 CPU 代码路径变得可抢占

其结果是一个几乎所有代码路径都可以被更高优先级 RT 任务抢占的内核,在经过调优的 Qualcomm 硬件上可提供微秒级的确定性最坏情况延迟。有关权威的上游文档,请参阅 Linux kernel realtime。

所需的 Kconfig 选项

Qualcomm Linux 的 meta-qcom 层通过 linux-qcom-rt_6.18.bb 配方中包含的 rt.config 配置片段默认启用 CONFIG_PREEMPT_RT。下表描述了关键的 Kconfig 选项及其作用: 表:RT 内核 Kconfig 选项

选项	RT 构建中的默认值	说明
`CONFIG_PREEMPT_RT`	`y`	启用完全内核抢占。RT 的必备选项。
`CONFIG_NO_HZ_COMMON`	`y`	无时钟滴答空闲和完全无滴答运行的基础设施。`NO_HZ_FULL` 的必需项。
`CONFIG_NO_HZ_FULL`	`y`	在只有单个可运行任务的 CPU 上抑制调度时钟中断。减少隔离 RT 核心上的抖动。
`CONFIG_CPUSETS`	`y`	允许将 CPU 分组为集合以进行亲和性控制。将 RT 任务隔离到专用核心所必需。
`CONFIG_CPU_ISOLATION`	`y`	启用 `isolcpus=` 内核参数支持,将核心从通用调度器中移除。
`CONFIG_HZ_1000`	`y`	将内核定时器频率设置为 1000 Hz(1 ms 滴答周期)。更高的 `HZ` 值以更多定时器开销为代价提高调度粒度。

在正在运行的 RT 系统上验证这些选项是否生效:

zcat /proc/config.gz | grep -E "CONFIG_PREEMPT|CONFIG_NO_HZ|CONFIG_CPUSETS"

预期输出:

# CONFIG_PREEMPT_NONE is not set
# CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY is not set
# CONFIG_PREEMPT is not set
CONFIG_PREEMPT_RT=y
CONFIG_NO_HZ_COMMON=y
CONFIG_NO_HZ_FULL=y
CONFIG_CPUSETS=y

RT 与标准内核的权衡

选择 RT 内核需要接受特定的权衡:

维度	标准内核	RT 内核
最坏情况调度延迟	无界(μs 到 ms)	有界(在调优硬件上为低 μs 级)
吞吐量	更高,上下文切换更少	略低,抢占点更多
功耗	空闲时更低	更高,`NO_HZ_FULL` 使 RT 核心保持活动
调试复杂度	标准工具	RT 专用工具(`cyclictest`、带 `hwlat_detector` 的 `ftrace`)
使用场景	通用、多媒体	工业控制、机器人、时间敏感网络

所有 Qualcomm Linux 硬件平台(QCS6490、IQ-9075、IQ-8275、IQ-615)均支持 RT 内核。延迟数值取决于具体的 SoC、CPU 拓扑和所应用的调优。请始终在目标硬件上进行测量,不要仅依赖仿真结果。

验证 RT 已启用

启动 RT 内核后,确认完全 RT 抢占已启用:

# Kernel version string includes -rt suffix
uname -r
# Example: 6.18.0-rt1+

# Confirm PREEMPT_RT in the version banner
cat /proc/version

# Verify the Kconfig flag
zcat /proc/config.gz | grep CONFIG_PREEMPT_RT
# Expected: CONFIG_PREEMPT_RT=y

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PREEMPT_RT 如何改变内核

所需的 Kconfig 选项

RT 与标准内核的权衡

验证 RT 已启用

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