RT_Linux (RT-Preempt)

 介紹 即時Linux核心 (RT-Preempt) 於ubuntu Linux 中的實作應用

即時 Linux 核心（PREEMPT-RT）是在標準 Linux 核心上進行修改，以實現「硬即時性（Hard Real-Time）」的需求，主要應用於工業控制、自走車、機器人、音訊處理與嵌入式系統等對延遲高度敏感的場域。在 Ubuntu 中，我們可以透過安裝特製的 Real-Time 核心或自行編譯來使用 PREEMPT-RT。

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🔧 PREEMPT-RT 核心基本介紹

1. 三種 Linux 排程模型比較：

核心模式	說明	適用場合
CONFIG_PREEMPT_NONE	無搶佔，使用者程式佔用時間長	Server
CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY	願意讓出 CPU，但非強制	桌面應用
CONFIG_PREEMPT	內核搶佔點較多，改善延遲	桌面 + 嵌入式
CONFIG_PREEMPT_RT_FULL (RT-Patch)	幾乎所有內核都可被搶佔，提供近硬即時能力	工業與即時控制

2. PREEMPT-RT 特點

• 鎖轉換：將自旋鎖轉換為可搶佔的 mutex。

• 中斷 Thread 化：中斷處理程序變成 RT thread，可排程化管理。

• 提供實時排程策略，如 SCHED_FIFO、SCHED_RR。

• 更嚴格的優先級反轉處理機制。

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🧪 在 Ubuntu 中使用 RT 核心

方式一：安裝已編譯的 RT 核心（推薦）

bash
sudo apt update
sudo apt install linux-image-lowlatency  # 或使用 RT kernel

或者安裝特製的 RT kernel（若可取得 PPA）：

bash
sudo apt install linux-image-<version>-rt

確認是否成功切換：

bash
uname -a  # 查看 kernel 是否為 rt 或 lowlatency

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方式二：自行編譯 PREEMPT-RT 核心

1. 下載 kernel 原始碼與 RT patch

bash
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.1.tar.xz
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/6.1/patch-6.1.x-rtxx.patch.gz

2. 解壓與打 patch

bash
tar -xvf linux-6.1.tar.xz
cd linux-6.1
zcat ../patch-6.1.x-rtxx.patch.gz | patch -p1

3. 設定 config

bash
make menuconfig
→ General setup
→ Preemption Model → Fully Preemptible Kernel (RT)

4. 編譯與安裝

bash
make -j$(nproc)
make modules_install
make install

5. 更新 GRUB 並重啟

bash
sudo update-grub
sudo reboot

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✅ 即時應用實例（以 ROS 2 為例）

自走車控制（Raspberry Pi + RT kernel）

• 控制回授環回時間（Loop time） < 1ms。

• 與 ros2_control 或 realtime_tools 結合使用。

• 設定 thread 為 SCHED_FIFO 類型，確保優先級高於其他使用者程式。

c++
#include <pthread.h>
struct sched_param param;
param.sched_priority = 90;
pthread_setschedparam(pthread_self(), SCHED_FIFO, &param);

驗證延遲

bash
cyclictest -l1000000 -m -Sp90 -i200 -h400 -q

• min, avg, max latency 皆可小於 100μs。

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🧭 小結

特性	一般核心	PREEMPT-RT 核心
最佳延遲	ms 等級	μs 等級
排程可預測性	差	優
適用場景	桌面、伺服器	工控、自走車、機器人
支援 real-time C++ API	否	是，搭配 POSIX RT API

ASK：

• ✅ ROS 2 + PREEMPT-RT 範例程式

• ✅ 如何測量 Thread 響應時間

• ✅ 在 Raspberry Pi 上部署完整 RT Kernel 流程