驯服 Linux 抖动：PREEMPT_RT + Xenomai 实现 50µs 硬实时闭环控制

Tue, 21 Jul 2026 00:00:00 +0000

1. 挑战：在 30 美元的 SoC 上跑软 PLC

泰诺下一代运动控制器需要在单颗 SoC 上运行软 PLC 运行时，同时对六个伺服轴执行 20kHz 的闭环 PID 控制。目标硬件：售价约 30 美元的全志 A40i（四核 Cortex-A7）。没有 FPGA，没有专用 DSP——只有普通的 ARM 核跑 Linux。

问题显而易见：标准 Linux 即使配置了 SCHED_FIFO，在这类硬件上仍会出现 200~500µs 的调度抖动。对于周期仅 50µs 的 20kHz 控制环来说，这完全不可接受。错过截止时间意味着相位误差累积，最终导致机械系统失稳。

2. PREEMPT_RT 地基

第一步很直接：应用 PREEMPT_RT 补丁集，配置内核 CONFIG_PREEMPT_RT_FULL=y。这几乎将所有 Spinlock 临界区转换为可抢占的互斥锁，让内核实现近乎完全可抢占。

关键内核配置：

CONFIG_PREEMPT_RT_FULL=y
CONFIG_HZ=1000
CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_PERFORMANCE=y
CONFIG_NO_HZ_FULL=y

仅凭 PREEMPT_RT，最差调度延迟从 ~480µs 降至 ~80µs。有改善，但仍达不到 50µs 的预算。

3. 引入 Xenomai 4（EVL 核）

Xenomai 4 的 EVL 核与 Linux 并行运行一个独立的实时核心，在中断到达 Linux 内核之前就进行拦截。实时线程由 EVL 核直接调度，完全绕过 Linux 调度器。

FPGA 加速视觉检测：从 200ms 到 8µs 的延迟优化之路

Mon, 20 Jul 2026 00:00:00 +0000

1. 问题的原点：软件视觉检测撞上性能墙

在泰诺的 PCB 印刷产线中，锡膏检测（SPI）是核心品控环节。每一块经过产线的 PCB 仅有不到 50ms 的时间窗口用于缺陷检测——超出这个时间，整条产线就会产生背压。

多年来，我们一直使用基于 GPU 加速的 OpenCV 流水线运行在 x86 边缘节点上。方案确实能用——但仅限低负载场景。当检测分辨率提升到 8K 级别后，单帧处理延迟偶尔飙升至 180~220ms。这 180ms 的抖动意味着漏检、误放行和产线拥塞。根本原因在于架构：通用 GPU 流水线无论怎样优化，都无法消除调度延迟和 PCIe 传输开销的不确定性。

2. 为什么选择 FPGA：硬件流水线的不可替代性

我们决定将整条检测流水线下沉到 FPGA，让芯片直接对接图像传感器的 MIPI 接口。核心理由有三：

流式架构：像素从 ADC 输出的那一刻就开始逐级流过流水线，不存在帧缓存、DMA 传输和内核上下文切换。
确定性延迟：精心设计的流水线具有精确的 N 个时钟周期的像素延迟，N 即流水线总深度，不存在方差。
能效优势：FPGA 方案功耗约 4W，而同等工作负载在 GPU 边缘节点上需要 45W。

3. 架构设计

我们在 Xilinx Kintex-7 上实现了五级流水线：

Sensor → Bayer2RGB → 色彩校正 → 二值化/阈值 → 连通域检测 → 判定锁存
 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
 MIPI 第1级 第2级 第3级 第4级 第5级
 (原始) (3周期) (2周期) (1周期) (8周期) (1周期)

总流水线深度：15 个时钟周期。在 200MHz 时钟下，单个像素从进入到缺陷标志输出的延迟为 75 纳秒。整帧图像以行速率流转，8K × 8K 的帧在传感器输出完成的同时即完成检测——不引入任何额外延迟。

实时系统 on TiJet