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。

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。

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。