第4章 PREEMPT_RT补丁实战：在RK3568上打补丁、编译、验证实时性

好，咱们进入实战环节。

前面讲了那么多理论，什么抢占点、中断线程化、自旋锁替换……说实话，光听不练容易忘。我自己的经验是，亲手在板子上跑一遍，比看十遍文档都管用。

这一章，我们就拿RK3568开刀。目标很明确：
给标准Linux内核打上PREEMPT_RT补丁，编译出一个实时内核，然后验证它的实时性到底提升了多少。

4.1 准备工作：环境与源码

先说说我习惯的开发环境。

  • 主机：Ubuntu 20.04 LTS（22.04也行，但20.04我踩坑最少）
  • 交叉编译器：gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-aarch64-none-linux-gnu
  • 目标板：RK3568 EVB（或者你自己画的板子，只要芯片是RK3568）
  • 内核版本：Linux 5.10.y（我选这个是因为它和PREEMPT_RT补丁的匹配最稳定）
注意： 内核版本和补丁版本必须严格对应。比如5.10.100的内核，就要找5.10.100-rtXX的补丁。版本号差一位，打补丁时就会报一堆冲突。我曾经因为没仔细看版本号，浪费了一整个下午。

下载源码：

# 下载主线内核
git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git
cd linux
git checkout v5.10.100

# 下载对应的PREEMPT_RT补丁
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/5.10/older/patch-5.10.100-rt56.patch.gz
gunzip patch-5.10.100-rt56.patch.gz

4.2 打补丁：这一步最考验耐心

打补丁本身不复杂，但细节决定成败。

# 进入内核源码目录
cd linux

# 应用补丁
zcat ../patch-5.10.100-rt56.patch.gz | patch -p1

如果运气好，你会看到一堆 patching file ... 的提示，没有报错。但说实话，我很少有这么顺利的时候。

我的经验： 如果补丁打不上，先检查内核源码是不是干净的。用 git status 看看有没有未提交的修改。我建议每次打补丁前，都 git reset --hard 一下，确保源码是原版。

打完补丁后，确认一下：

# 查看内核是否已经支持PREEMPT_RT
grep "PREEMPT_RT" arch/arm64/configs/defconfig

如果没有任何输出，说明补丁没打进去。嗯，这时候别慌，检查一下补丁文件路径和内核版本。

4.3 配置内核：开启实时选项

补丁打好了，接下来就是配置内核。我个人习惯用 menuconfig，图形界面不容易漏选项。

make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-none-linux-gnu- menuconfig

进入菜单后，按以下路径开启：

  1. General setup → Preemption Model → 选择 Fully Preemptible Kernel (Real-Time)
  2. Kernel Features → Timer frequency → 设置为 1000 Hz（实时性要求高的话，可以试试1000 Hz）
  3. Real-time sub-system → 确保里面的选项都是开启状态

关键点： 选完 Fully Preemptible Kernel 后，系统会自动把 CONFIG_PREEMPT_RT 设为 y。你可以在 .config 文件里确认：

grep "CONFIG_PREEMPT_RT" .config
CONFIG_PREEMPT_RT=y

另外，我建议把 CONFIG_HZ_1000 也打开。频率越高，调度器的响应越快，但也会带来一点额外的开销。对于工业控制来说，1000 Hz是标配。

4.4 编译内核：耐心等待

配置好了，开始编译。RK3568是ARM64架构，所以要用交叉编译器。

# 设置环境变量
export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-none-linux-gnu-

# 编译内核和设备树
make -j$(nproc) Image dtbs

# 编译模块
make -j$(nproc) modules

# 安装模块到临时目录
make INSTALL_MOD_PATH=./modules_install modules_install

第一次编译大概要20-30分钟，取决于你的电脑性能。我建议用 -j$(nproc) 充分利用多核。

踩坑提醒： 编译时如果报 undefined reference to `xxx' 之类的链接错误，多半是工具链版本不对。我遇到过好几次，换回gcc 10.3就好了。

4.5 部署到RK3568

编译完成后，把内核镜像、设备树和模块拷贝到板子上。

# 假设SD卡挂载在 /mnt/sd
cp arch/arm64/boot/Image /mnt/sd/boot/
cp arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3568-evb.dtb /mnt/sd/boot/
cp -r modules_install/lib/modules/* /mnt/sd/lib/modules/

# 更新extlinux.conf或者boot.scr，指向新的内核
# 我习惯用extlinux，配置如下：
cat /mnt/sd/boot/extlinux/extlinux.conf
LABEL rt-kernel
    KERNEL /boot/Image
    FDT /boot/rk3568-evb.dtb
    APPEND root=/dev/mmcblk0p2 rootwait console=ttyFIQ0,1500000

重启板子，用 uname -a 确认内核版本：

# uname -a
Linux rk3568 5.10.100-rt56 #1 SMP PREEMPT_RT ...

看到 PREEMPT_RT 字样，说明补丁生效了。

4.6 验证实时性：用cyclictest说话

内核跑起来了，但实时性到底怎么样？不能光靠感觉。我一般用 cyclictest 来测量。

先安装rt-tests：

# 在板子上执行
apt-get install rt-tests
# 或者交叉编译后拷贝过去

运行测试：

# 创建一个实时线程，优先级80，运行10000次
cyclictest -t1 -p80 -n -i1000 -l10000 -m

参数说明：

  • -t1：1个测试线程
  • -p80：优先级80
  • -n：使用nanosleep
  • -i1000：间隔1000微秒（1ms）
  • -l10000：循环10000次
  • -m：锁定内存，防止页面交换

输出结果类似这样：

T: 0 (12345) P: 80 I: 1000 C: 10000 Min: 2 Max: 45 Avg: 4

解读一下：

  • Min：最小延迟2微秒
  • Max：最大延迟45微秒
  • Avg：平均延迟4微秒

对比一下标准内核： 同样的测试，在标准 CONFIG_PREEMPT 内核上，最大延迟通常在200-500微秒左右。而PREEMPT_RT内核能控制在50微秒以内。这个差距，在工业控制中就是「能用」和「不能用」的区别。

4.7 压力测试：看看极限在哪里

单线程测试通过后，我还会做压力测试。毕竟工业现场不可能只有一个任务在跑。

# 同时跑4个实时线程，优先级80、70、60、50
cyclictest -t4 -p80 -p70 -p60 -p50 -n -i1000 -l100000 -m

同时，在后台跑一些干扰任务：

# 开几个CPU密集型任务
stress --cpu 4 --io 2 --vm 2 --vm-bytes 128M --timeout 60s

这时候再看cyclictest的输出，如果最大延迟仍然在100微秒以内，说明你的实时内核是合格的。

我的经验： 如果压力测试下延迟飙升，先检查中断亲和性。把网卡、USB等中断绑定到非实时核上，能有效降低抖动。具体做法是修改 /proc/irq/xxx/smp_affinity。

4.8 常见问题与避坑

最后，分享几个我踩过的坑：

  • 补丁打不上：99%的原因是内核版本和补丁版本不匹配。用 patch -p1 --dry-run 先模拟一下。
  • 编译报错：检查工具链版本。gcc 11以上对某些内核代码有兼容性问题。
  • 启动卡住：检查设备树和内核配置。RK3568的某些外设驱动在RT内核下需要额外配置。
  • 延迟不稳定：检查电源管理。把CPU调频策略设为 performance，关闭动态调频。

好了，这一章的内容就是这些。从打补丁到验证，每一步我都尽量把细节讲清楚。你跟着做一遍，应该能跑出一个稳定的实时内核。

下一章，我们会深入RK3568的硬件定时器，看看怎么用它来实现微秒级的精准控制。

← 上一章 📖 返回目录 下一章 →