4. Ubuntu与实时内核部署

在 Ryzen Embedded 机器人控制平台上，操作系统层决定了上层运动控制、EtherCAT 主站、视觉推理能否获得稳定可预期的时基。本节围绕 Ubuntu Server 安装、AMD XDNA/NPU 驱动、PREEMPT_RT 实时补丁、CPU 隔离与调频策略，以及 cyclictest 延迟测试与优化，给出一条可落地的部署路径。需要先明确一个前提：实时性不是“越快越好”，而是“抖动越小越好”。机器人控制周期通常为 1 ms 或 250 µs，允许的最大延迟抖动往往要求控制在几十微秒量级，因此所有配置都服务于降低最坏情况延迟（worst-case latency）。

一、Ubuntu Server 安装与基础环境

推荐使用 Ubuntu Server 22.04 LTS 或 24.04 LTS，选择最小化安装，避免桌面环境引入不可控的调度与中断。安装时建议单独划分 /boot（1 GB）、/（≥64 GB）与 swap（与内存等大或关闭），并关闭自动更新，防止内核在运行中被替换。安装完成后先做三件事：更新基础包、安装编译工具链、确认 CPU 与内核版本。

sudo apt update && sudo apt install -y build-essential git bc bison flex \
  libssl-dev libelf-dev dwarves zstd cpu-checker
uname -r
lscpu | grep -E "Model name|CPU\(s\)|MHz"

对于 Ryzen Embedded 平台，BIOS 中应关闭 Global C-state Control、Core Performance Boost 与 SMT（若控制核需要独占物理核），并开启 IOMMU 以便后续设备直通。这些设置直接影响中断响应与频率抖动。

二、AMD XDNA/NPU 驱动部署

Ryzen Embedded 7000/8000 系列集成的 XDNA NPU 需要内核态 amdxdna 驱动与用户态 XRT/ONNX Runtime 支持。较新的 Ubuntu 内核（6.10+）已包含 amdxdna，可通过 modprobe 加载；若内核版本较旧，需从 AMD 官方仓库安装 DKMS 包。

sudo apt install -y linux-firmware
sudo modprobe amdxdna
lsmod | grep amdxdna
ls /dev/accel/          # 应出现 accel0
sudo apt install -y xrt xrt-plugin-amdxdna

验证 NPU 可用性时，可用 xrt-smi examine 查看设备状态，再用 ONNX Runtime 的 VitisAIExecutionProvider 跑一个 ResNet-50 推理样例，观察 /dev/accel/accel0 是否被占用。注意：NPU 驱动会注册中断，若与实时控制核共享中断线，需在后续中断亲和性配置中将其绑定到非实时核。

三、PREEMPT_RT 实时补丁配置

PREEMPT_RT 将内核中大部分自旋锁替换为可睡眠的互斥锁，使高优先级任务几乎可以在任意时刻抢占内核。部署方式有两种：直接安装 Ubuntu 官方 linux-image-rt 包，或自行打补丁编译。前者省时，后者便于裁剪。以 6.6 内核为例：

sudo apt install -y linux-image-rt-amd64 linux-headers-rt-amd64
# 或手动编译
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.6.tar.xz
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/6.6/patch-6.6-rt18.patch.xz
tar -xf linux-6.6.tar.xz && cd linux-6.6
xz -dc ../patch-6.6-rt18.patch.xz | patch -p1
make olddefconfig
# 在 menuconfig 中设置：
#   General setup -> Preemption Model -> Fully Preemptible Kernel (RT)
#   Timer frequency -> 1000 Hz
make -j$(nproc) && sudo make modules_install install

重启后通过 uname -v 应看到 PREEMPT_RT 字样。此时还需关闭 CONFIG_DEBUG_PREEMPT 等调试选项，避免额外开销。实时内核下，rcu_nocbs 与 nohz_full 是降低抖动的重要启动参数，将在下一节与 CPU 隔离一起配置。

四、CPU 隔离与调频策略

机器人控制通常采用“隔离核 + 管理核”架构：将 CPU 2、3 核从通用调度器中隔离出来，专供实时任务使用；CPU 0、1 负责系统、网络与 NPU 中断。通过内核启动参数实现：

# /etc/default/grub
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash isolcpus=2,3 nohz_full=2,3 \
  rcu_nocbs=2,3 irqaffinity=0,1 processor.max_cstate=1 intel_idle.max_cstate=0"
sudo update-grub && reboot

调频策略方面，实时核应固定为 performance，避免 ondemand 或 schedutil 在负载变化时引入频率切换延迟。管理核可保留 powersave 以降低功耗。

sudo apt install -y cpufrequtils
echo 'GOVERNOR="performance"' | sudo tee /etc/default/cpufrequtils
sudo systemctl restart cpufrequtils
cat /sys/devices/system/cpu/cpu2/cpufreq/scaling_governor  # performance

此外，将实时任务绑定到隔离核并设置 SCHED_FIFO 优先级 80，可进一步减少调度干扰。中断亲和性通过 /proc/irq/*/smp_affinity 或 irqbalance --banirq 将非实时中断全部导向 CPU 0、1。

五、cyclictest 延迟测试与优化

部署完成后必须用 cyclictest 量化验证。典型命令如下，在隔离核 2、3 上以 SCHED_FIFO 优先级 80 运行 4 个线程，周期 1 ms，共 10 万次：

sudo cyclictest -t4 -p80 -n -i1000 -l100000 -a2,3 -h400 -q
# 输出示例（教学假设值）：
# T: 0 ( 1234) P:80 I:1000 C: 100000 Min:  2 Act:  3 Avg:  4 Max:  28
# T: 1 ( 1235) P:80 I:1000 C: 100000 Min:  2 Act:  4 Avg:  5 Max:  31
# T: 2 ( 1236) P:80 I:1000 C: 100000 Min:  3 Act:  3 Avg:  5 Max:  35
# T: 3 ( 1237) P:80 I:1000 C: 100000 Min:  2 Act:  4 Avg:  6 Max:  42

判断标准：Max 值应小于控制周期的 5%。若 1 ms 周期，Max 应低于 50 µs。若出现 100 µs 以上的尖峰，按以下顺序排查：

• 确认 isolcpus 与 nohz_full 已生效：cat /proc/cmdline。
• 检查中断亲和性：cat /proc/interrupts，确保隔离核上无外部中断。
• 关闭 C-state 与频率调节：cpupower idle-info 确认 max_cstate=1。
• 禁用 irqbalance 或将其排除隔离核。
• 检查 SMI（系统管理中断）：sudo apt install msr-tools，用 rdmsr 0x34 观察 SMI 计数是否增长。

进一步优化可启用 threadirqs 强制中断线程化，并将实时任务的中断线程优先级设为 90 以上；同时用 chrt -f 80 绑定控制进程，配合 taskset -c 2,3 固定 CPU 亲和性。若使用 EtherCAT，还需将网卡中断绑定到管理核，并启用 PTP 硬件时间戳。

完成本节配置后，平台应达到：隔离核上 1 ms 周期任务的最坏延迟稳定在 50 µs 以内，NPU 推理与实时控制互不干扰，为后续运动控制与视觉闭环提供可靠的时基保障。