openEuler 22.03 LTS 版本新增了 Preempt_RT 內核實時補丁，提供軟實時特性。該特性由 Industrial-Control SIG 引入，并得到 Kernel SIG、Embedded SIG 和 Yocto SIG 配合與支持，已經被集成到openEuler 22.03 LTS Server 和 openEuler 22.03 LTS Embedded 中。

什么是實時系統

實時系統的典型定義如下：“所謂實時系統，就是系統中計算結果的正確性不僅取決于計算邏輯的正確性，還取決于產生結果的時間。如果完成時間不符合要求，則可以認為系統發生了問題。”也就是說，不管實時應用程序執行的是何種任務，它不僅需要正確執行該任務而且必須及時完成。當前，Preempt_RT 維護者 Thomas Gleixner 給出的“實時”含義是：它和指定的一樣快。

Linux 作為一種通用操作系統，隨著時間的推移，在功能和時序行為方面一直在發展，以便適合許多其他更具挑戰性的場景；尤其是實時系統對 Linux 的實時性改造一直從未停止過。

對 Linux 進行實時性改造，通常可從兩個大的方向來著手。一個方向是從 Linux 內核內部開始，直接修改其內核源代碼，其典型代表是 Preempt_RT 實時補丁；另一個方向則是從 Linux 內核的外圍開始，實現一個與 Linux 內核共存的實時內核，即采用雙內核方法，其典型實現為 RTAI/Linux，即現在的 Xenomai。

因為 Xenomai 實時內核與 Linux 內核共存，Xenomai 實時內核小而精巧，能夠很好地控制其中的代碼質量。Xenomai 實時內核完成了基本的硬件抽象層、任務調度管理和進程間通信管理模塊等，能夠滿足一些硬實時系統的需求。然而，其上的實時應用通常分為實時和非實時兩部分來完成 ，實時部分必須使用 Xenomai 提供的特有的 API；非實時部分則可以使用 Linux 提供的系統調用。與 Preempt_RT 實時編程相比，Xenomai 編程實現更為困難，軟件移植難度更大。

與雙內核機制方案相比，Preempt_RT 實時補丁最大的優勢在于它遵循 POSIX 標準，使用該補丁的實時系統應用程序和驅動程序與非實時系統的應用和驅動程序差異很小。因此，在使用該補丁的平臺上做相應的開發比雙內核機制的方案更容易。另外，該補丁與硬件平臺相關性小，可移植性高。由于 Linux 內核過于龐大，有著較多關中斷、關搶占代碼，加上復雜的內存管理、調度器代碼邏輯等眾多不確定性因素，使得 Preempt_RT 雖然具有較好的軟實時性，但在硬實時性方面有所欠缺。

什么是 Preempt_RT

Preempt_RT 補丁開發始于 2005 年。之后由德國 OSADL 組織贊助，Ingo Molnar、Thomas Gleixner 和 Steven Rostedt 三人共同發起，旨在將 Linux 內核的最大線程切換延遲從無限制的毫秒數降低到數十微秒的有界值。2016 年以后成為 Linux 基金會下屬合作項目。目前 Preempt_RT 的贊助者來自 ARM、BMW、CIP、ELISA、Intel、National Instruments、OSADL、RedHat 和 Texas Instruments 等。經過 Preempt_RT 和 Linux 內核工程師在搶占、實時性方面的努力，Linux 內核的搶占延遲降低了幾個數量級，使其能夠與商業實時操作系統競爭。業界知名的 MontaVista Linux、WindRiver Linux、TimeSys Linux 都有 RT 補丁的身影。像 RTJVM、RTKVM、RTDocker、RTAndroid 等曾經出現過的 Preempt_RT 衍生用例，響應速度都有著不同程度的提升。

多年來，該補丁的許多部分已被納入主線 Linux，包括高分辨率計時器（2.6.16）、優先級繼承（2.6.18）、可搶占的 RCU（2.6.25）、內核互斥量和線程中斷處理程序（2.6.30）、完全 Tickless 機制（3.10）、DL 調度器（EDF 調度算法）（3.14）、實時搶占鎖（5.15）。然而，該補丁的核心部分仍然在主線之外。從近幾年的 Preempt_RT 補丁來看，當前的主要工作不是開發新功能，而是專注于增量式引入主線和特定架構的支持。

當前 openEuler 22.03 LTS 主線內核版本為 Linux Kernel 5.10，有 180 把鎖無法搶占，其中 8 把鎖在 RT 補丁中強制修改成無法搶占。在最新的 5.17 內核中，Preempt_RT 補丁大小為 265KB，有 189 把鎖仍然無法搶占，RT 補丁不再強制修改鎖為無法搶占。

當前 Preempt_RT 主要特性

• 臨界區可搶占
• 中斷處理程序可搶占
• 關中斷代碼序列可搶占
• 帶有優先級繼承機制的內核自旋鎖和信號量
• 線程化處理 RCU
• 降低延遲措施

部署方法

二進制部署

二進制部署可以安裝 openEuler 22.03 LTS 官方源中 rpm 包，需要 root 權限，命令如下：

#yuminstallkernel-rt

完成安裝后重啟設備，在 GRUB 引導界面選擇 Preempt_RT 內核openEuler (5.10.0-60.18.0.rt62.52.oe2203.aarch64) 22.03 LTS即可。啟動后查看內核，即完成 openEuler 22.03 LTS Preempt_RT 二進制部署。

#uname-r
5.10.0-60.18.0.rt62.52.oe2203.aarch64

獲取源碼

openEuler 22.03LTS kernel-rt源碼可以直接從官方源獲取，查詢命令如下：

#yumsearchkernel-rt
...
kernel-rt.src:LinuxKernel

若源里包含 kernel-rt 源碼，則可使用如下方式下載并安裝：

#yumdownloader--sourcekernel-rt.src
#rpm-ivhkernel-rt-5.10.0-60.18.0.rt62.52.oe2203.src.rpm&&cd~/rpmbuild

源碼目錄樹如下：

#tree
.
├──SOURCES
│├──cpupower.config
│├──cpupower.service
│├──extra_certificates
│├──kernel.tar.gz
│├──mkgrub-menu-aarch64.sh
│├──patch-5.10.0-60.10.0-rt62_openeuler_defconfig.patch
│├──patch-5.10.0-60.10.0-rt62.patch
│├──pubring.gpg
│├──sign-modules
│└──x509.genkey
└──SPECS
└──kernel-rt.spec

源碼部署

源碼獲取后，復制以下文件到自定義目錄：

#ll
total186M
-rw-r--r--.1rootroot185MApr214:27kernel.tar.gz
-rw-r--r--.1rootroot4.5KApr214:27patch-5.10.0-60.10.0-rt62_openeuler_defconfig.patch
-rw-r--r--.1rootroot773KApr214:27patch-5.10.0-60.10.0-rt62.patch

補丁合入步驟如下：

#tar-xzfkernel.tar.gz&&cdkernel
#patch-p1
#patch-p1

源碼編譯安裝：

#makeopeneuler_defconfig&&make-j`nproc`
#makemodules_install&&makeinstall
#grub2-mkconfig-o$GRUB_CONFIG_PATH

嵌入式系統部署方法

嵌入式部署 Preempt_RT 方法參見：

https://openeuler.gitee.io/yocto-meta-openeuler/features/preempt_rt.html

實時性能測試

測試環境

測試結果

基于上述硬件測試環境，在 CPU 隔離、空負載、CPU 負載、內存負載、IO 負載和網卡負載等不同條件下的測試數據：

「歸納如下：」

1. 通過表 6 數據可以判斷，在五種負載情況下并且 CPU 不隔離，RT 內核比非 RT 內核實時性要強。非 RT 內核與 RT 內核在 CPU 不隔離情況下，五種負載對應峰值的比值如表 7(比值數據越大表明非 RT 內核實時性越差)：

「以上數據表明，RT 內核的峰值延遲普遍要優于非 RT 內核。」

2. 結合四種設備的峰值延遲來看，CPU 負載對實時性影響一般小于 IO 和內存負載，而網卡負載影響最小。四種設備在兩種內核下，CPU、內存、IO 和網卡負載與空負載比值如表 8(比值越小越穩定)：

「表 8 各項數據表明，RT 內核在負載情況下，實時性較為穩定。」

「為確保 Cyclictest 測試的有效性，經過飛騰 2000 平臺空載測試 2 天，最大延遲為 58 微秒。」

實時性對系統影響測試

測試環境

測試結果

• 飛騰 D2000 平臺 unixbench 測試結果

使用unixbench單個任務測試非 RT 內核空負載、RT 內核空負載、RT 內核負載 cyclictest(cyclictest -m -h 100 -q -i100 -t 1 -p 99 -n)，三種狀態詳細測試結果如下(表中“RT/非 RT”、“RT 負載/非 RT”為百分比值，數值越大說明 RT 內核性能越好)：

使用unixbench多任務測試非 RT 內核空負載、RT 內核空負載、RT 內核負載 cyclictest(cyclictest -m -h 100 -q -i100 -t 1 -p 99 -n)，三種狀態詳細測試結果如下(表中“RT/非 RT”、“RT 負載/非 RT”為百分比值，數值越大說明 RT 內核性能越好)：

• 飛騰 D2000 平臺 lmbench 測試結果

  使用lmbench測試非 RT 內核空負載、RT 內核空負載、RT 內核負載 cyclictest(cyclictest -m -h 100 -q -i100 -t 1 -p 99 -n)，三種狀態詳細，測試十次取平均值，結果如下：

  表14：多任務Lmbench測試結果

• 飛騰 2000 平臺測試結果

  飛騰 2000 平臺測試結果與飛騰 D2000 平臺測試結果相似度較高，具體數據不在此處列出。

測試結論

「Preempt_RT 補丁可以有效提高系統實時性，且在多種負載場景下，實時性表現較為穩定。」

「Preempt_RT 補丁對本地通訊吞吐率有一定影響，主要提現為管道讀寫、文件拷貝，對系統調用延遲影響大多在 2 微秒以內。」

后續工作

1. 跟隨內核主線發布、維護 Preempt_RT 補丁

2. 研發實時性性能分析工具

3. 提升實時性

4. 提升吞吐率

5. 引入 RTLA、RTSL 機制等

主要參與者

特別感謝 Kernel SIG 組XieXiuQi、zhengzengkai，Embedded SIG 組wanming-hu，樹莓派 SIG 組woqidaideshi，QA SIG 組suhang給予我們的幫助。