1. 课程导论：实时系统概念、Linux 实时性挑战、PREEMPT_RT 项目历史与现状

1.1 实时系统核心概念

实时系统（Real-Time System）的核心特征不在于“快”，而在于“可预测”。系统必须在规定的时间窗口内完成指定的计算任务，否则将导致功能失效甚至灾难性后果。根据对时限的容忍程度，实时系统分为两类：

实时系统的调度模型通常包含多个周期性任务，每个任务具有固定的周期（Period）、执行时间（Execution Time）和截止时间（Deadline）。调度器必须保证所有任务在截止时间前完成。

1.2 Linux 实时性面临的挑战

通用 Linux 内核在设计之初主要面向吞吐量和公平性优化，而非确定性的实时响应。其核心机制对实时性构成以下挑战：

1. 大内核锁（BKL）与粗粒度自旋锁：高优先级任务可能被低优先级任务持有的锁阻塞，导致优先级反转。
2. 关中断区域过长：中断处理程序在关闭本地中断期间执行，所有外部事件（包括高优先级定时器）都无法响应。
3. 不可抢占的内核路径：系统调用、异常处理等内核代码路径在执行期间不允许其他任务抢占，导致延迟不可控。
4. 定时器精度不足：传统内核使用周期性的定时器滴答（Tick），分辨率通常为 1ms~10ms，无法满足微秒级实时需求。
5. 虚拟内存管理不确定性：缺页异常（Page Fault）和 TLB 刷新可能引入不可预测的延迟。

下表总结了通用 Linux 与实时 Linux 在关键机制上的差异：

1.3 PREEMPT_RT 项目历史与现状

PREEMPT_RT 是由 Thomas Gleixner、Ingo Molnar 和 Peter Zijlstra 等内核开发者主导的开源项目，旨在将 Linux 内核改造为硬实时操作系统。其发展历程如下：

• 2004 年：Ingo Molnar 发布首个 PREEMPT_RT 补丁集，引入实时互斥锁（rt_mutex）和优先级继承。
• 2005-2010 年：核心机制逐步合入主线内核：高精度定时器（hrtimer，2006）、线程化中断（2008）、可抢占 RCU（2009）。
• 2012 年：RT 补丁集开始稳定维护，每 2-3 个月发布新版本，跟踪最新主线内核。
• 2019 年：Linux 5.3 合入 PREEMPT_RT 的剩余核心基础设施，标志着 RT 补丁集进入主线化的最后阶段。
• 2023 年至今：Linux 6.x 系列已包含大部分 RT 功能，但完整的 PREEMPT_RT 补丁集仍需单独应用。主线内核提供 PREEMPT_RT 配置选项，但默认未启用。

PREEMPT_RT 补丁集的核心架构由以下层次组成：

1.4 实时性能指标参考

经过 PREEMPT_RT 改造后的 Linux 内核，在典型硬件平台上的实时性能可达到以下水平：

# 运行 100 万次循环，测量最大延迟
cyclictest -l 1000000 -m -n -p 99 -i 1000 -h 100

1.5 课程学习路径

本课程将按照以下路径逐步深入：

1. 基础篇（第 2-5 章）：内核编译配置、PREEMPT_RT 补丁获取与打补丁、实时内核启动参数。
2. 核心机制篇（第 6-12 章）：实时互斥锁、线程化中断、高精度定时器、RCU 机制、CPU 隔离与亲和性。
3. 实践篇（第 13-20 章）：实时任务编程、内存锁定、避免页错误、DMA 缓冲区、实时网络栈。
4. 调试与优化篇（第 21-25 章）：ftrace、trace-cmd、perf、延迟分析、内核实时性调优。
5. 高级专题篇（第 26-30 章）：多核实时调度、混合关键性系统、Xenomai 与 PREEMPT_RT 对比、工业应用案例。