Linux PREEMPT_RT 实时内核图解二

1. Latency / Deadline / Jitter
实时系统中的三个核心概念：
- Latency：一次响应耗时
- Deadline：最晚完成时间
- Jitter：多次响应时间波动

实时系统不仅要求“快”，更要求“稳定且可预测”。

2. Average Latency vs Worst-Case Latency
普通 Linux 平均延迟可能很低，但偶尔会出现 latency spike。

实时系统更关注：
Worst-Case Latency（最坏情况延迟）

因为真正导致 deadline miss 的，往往是偶发尖峰，而不是平均值。

3. Hard / Firm / Soft Real-Time
实时系统通常分为三类：

- Hard RT
错过 deadline 会导致严重后果。
如工业控制、机器人、制动系统。

- Firm RT
错过 deadline 后结果无价值。
如数据采集、工业通信。

- Soft RT
错过 deadline 后体验下降。
如音视频、UI、多媒体。

4. IRQ Disable vs Preempt Disable
Linux 中两种典型“不可抢占”场景：

- local_irq_disable()
禁止中断，硬件事件无法及时处理。

- preempt_disable()
禁止调度抢占，但中断还能进来。

IRQ-off 比 preempt-off 更严重，因为它直接阻断了硬件响应。

5. Page Fault 与后台内核活动
影响实时性的，不只是中断和锁。

Page Fault、kworker、RCU callback、timer tick、logging、CPU migration、ksoftirqd 等后台活动，同样会制造 jitter 与 latency spike。

6. PREEMPT_RT 总体改造
PREEMPT_RT 的核心目标：
降低 worst-case latency，提高系统确定性。

主要改造包括：
- IRQ 线程化
- SoftIRQ 实时化
- Spinlock → RT Mutex
- 优先级继承（PI）
- 减少 IRQ-off / preempt-off 时间
- 提高内核可抢占性

7. 普通 Linux vs PREEMPT_RT
普通 Linux：
- 吞吐优先
- spinlock 忙等
- 不可抢占区更多
- 延迟尖峰明显

PREEMPT_RT：
- 确定性优先
- IRQ Threading
- RT Mutex
- 优先级继承
- 最坏延迟更可控

8. Spinlock → RT Mutex
普通 Linux 中：
spinlock = 忙等 + 禁止抢占。

等锁任务会持续自旋，占用 CPU，并增加 latency/jitter。

PREEMPT_RT 中：
多数 spinlock_t 被替换为 rt_mutex。

等锁任务可以睡眠等待，调度器可以运行其他任务，并支持 Priority Inheritance（PI），从而降低 worst-case latency。