linux-rtic

实时 Linux 的 RTIC 实现。

工作原理

此 RTIC 实现基于 std::thread，通过为每个任务优先级组创建一个线程。线程使用 SCHED_FIFO 实时策略初始化。任务优先级与 Linux 优先级一一对应，通常范围在 1-99 之间。

调度

任务调度由 futex-queue 完成，它巧妙地利用 futex 系统调用在单个系统调用上等待即时和计划（定时）任务。不需要定时器线程（和额外的上下文切换）。

资源锁定

原始 cortex-m-rtic 使用栈资源策略（SRP），但在用户空间 Linux 中难以模拟。首先，为每个加锁/解锁设置线程优先级涉及昂贵的系统调用（在树莓派 4 上约为 10us）。其次，设置线程优先级并不能保证低优先级线程不会运行。低优先级线程可能在不同的核心上执行，或者在更高优先级线程挂起时（即 I/O 系统调用）。虽然可以通过备份同步机制（互斥锁）来修复内存安全性问题，但系统调用开销对于实时应用来说太高。

为了解决这个问题，编写了一个 pcp-mutex 库，它实现了原始优先级天花板协议（OPCP）。这允许保留 SRP 的两个重要属性：限制优先级反转和静态防止死锁。这个互斥锁在快速路径上是无锁的。技术细节请参考 pcp-mutex 的 README 文件。

其他说明

在用户空间线程中调度任务较慢，因为上下文切换开销大（在树莓派 4 上约为 10us），已经探索了其他方法。

• 较旧的 linux-rtfm 实现使用了 POSIX 信号。它们比线程上下文切换更快，但是任务仅限于重入（信号安全）函数，这迫使用户必须使用 no_std。此外，由于信号屏蔽系统调用，资源锁定速度较慢。
• 内核线程仅略微更快，因为大部分开销似乎都在调度器本身。因此，失去用户空间安全和 std 库似乎不值得。
• 硬中断上下文将最接近 cortex-m-rtic 的实现，但 Linux 不支持中断优先级（只有 IRQ 线程有优先级），并且需要对内核进行重大修改。

示例

运行示例需要带有 PREEMPT-RT 补丁的 Linux 内核以及 root 权限，以支持 SCHED_FIFO。可以通过使用 --no-default-features 编译来移除此要求，但这样所有任务将共享相同的优先级。

构建

cargo build --release --example priority_inversion

运行（需要 sudo 执行 sched_setscheduler 系统调用）

sudo target/release/examples/priority_inversion

单核

sudo taskset -c 1 target/release/examples/priority_inversion

没有实时优先级

cargo run --release --example priority_inversion --no-default-features

使实时更真实的技巧

• 应用 PREEMPT-RT 内核补丁，并通过 CONFIG_PREEMPT_RT_FULL 编译内核以减少内核中的不可抢占部分。
• 禁用动态 CPU 频率缩放。可以在内核配置中设置，或者使用 cpufreq-set -g performance。
• 使用 isolcpus 内核参数在隔离的核心上运行 RTIC。
• 确保外围进程（例如 spi0）具有实时优先级： sudo chrt -f -p 50 $(pidof spi0).
• 尝试限制不同优先级任务之间的调度，以减少上下文切换开销。
• 观看 编写 Linux 实时应用程序的清单 - John Ogness, Linutronix GmbH