前言

人形机器人软件系统是一个对实时性要求较高的软件系统。它包含低层级运动闭环、运动规划与行为决策、环境感知、人机交互等任务。在这些任务中，有些任务对实时性要求较高，例如，EtherCAT 主站、力矩闭环。有些任务对实时性要求不高，例如，环境感知、人机交互任务。本文将从PREEMPT_RT Linux、操作系统调度策略、CPU内核隔离、内存锁定、进程亲和性绑定方面进行阐述，详细讲解如何构建一个既能满足各任务实时性需求，又能满足功能多样性需求的四足机械狗/人形机器人软件系统。

一、什么是 PREEMPT_RT

PREEMPT_RT（Real-Time Preemption），俗称 RT 补丁，是一套对 Linux 内核进行大规模改造的补丁集。其目标是把标准 Linux 从软实时改造为具备确定性低延迟的实时 Linux，让内核几乎全部代码路径支持抢占。PREEMPT_RT 四大核心改造如下。

1. 自旋锁改造：spinlock → rtmutex（可睡眠锁）

• 普通 spinlock_t 在 PREEMPT_RT 下不再忙等、不再关闭抢占；
• 内部基于rtmutex（实时互斥锁）实现，争锁失败时线程主动让出 CPU；
• 自带优先级继承（PI），缓解优先级反转；
• 极短底层同步代码保留 raw_spinlock_t（真正不可抢占）。

2. 中断线程化（Threaded IRQs）

硬件中断只保留极简上半部（ack 中断）；绝大多数中断处理逻辑放到独立内核线程运行。这样做的好处有

• 中断线程拥有优先级，可以被更高优先级实时任务抢占；
• 不再出现 “中断长时间霸占 CPU” 阻塞实时任务。

3. 最大化内核抢占点

普通 CONFIG_PREEMPT：遇到 spinlock 临界区就不能抢占。
PREEMPT_RT：几乎所有内核代码都允许抢占，只有极少数极短底层代码路径禁止抢占。

4. 增强高精度定时器 hrtimer

为周期性控制任务（伺服、运动控制）提供稳定纳秒级定时能力。

二、Linux 四种抢占模式对比

配置	名称	实时能力	典型最大延迟	适用场景
PREEMPT_NONE	无抢占	最差	数 ms~ 几十 ms	服务器、高性能计算
PREEMPT_VOLUNTARY	自愿抢占	一般	~2ms	桌面发行版默认
PREEMPT	可抢占内核（低延迟）	中等	几百 μs~1ms	普通低延迟嵌入式
PREEMPT_RT	实时抢占内核	最优	几十 μs（优化后 < 50μs）	工业控制、机器人、伺服、音频

三、SCHED_FIFO 与 SCHED_RR调度策略

SCHED_FIFO 与 SCHED_RR都属于Linux实时调度策略，这两种实时策略能不能用，要看你的 Linux 内核有没有开启对应的抢占选项（PREEMPT_RT 或者 CONFIG_PREEMPT）。

1. SCHED_FIFO（先进先出）

(1) SCHED_FIFO规则

1) 同一优先级下多个任务排队；

2) 一个任务拿到 CPU 后，持续运行直到以下任意一种情况才让出 CPU

• 任务主动阻塞（sleep、等待信号量、I/O）；
• 任务主动调用 sched_yield() 放弃 CPU；
• 有更高优先级任务就绪，被抢占;

3) 任务不会因为时间片用完被强制切走，没有时间片概念。

(2) SCHED_FIFO例子

• 优先级90、80两个FIFO任务。90任务就绪，直接抢占80任务。
• 同优先级两个 FIFO 任务 A、B：A 运行后，只要不阻塞，B 永远得不到调度。

(3) SCHED_FIFO适用场景

SCHED_FIFO适用于不希望中途被同优先级任务打断的场景。例如，机器人伺服闭环、EtherCAT 主站、周期性硬实时控制等任务。

(4) C代码设置SCHED_FIFO

#include <sched.h>

void set_realtime_fifo(int prio)
{
    struct sched_param sp;
    sp.sched_priority = prio;
    sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &sp);
}

2. SCHED_RR（轮询实时，Round-Robin）

(1) SCHED_RR规则

• 跨优先级行为和 FIFO 完全一致：高优先级随时抢占低优先级；
• 同一优先级内部加入时间片机制；
• 同优先级多个任务轮流执行，任务用完时间片后，放到同优先级队列尾部；
• 若任务中途阻塞，再次唤醒后排在队列末尾。
• 默认时间片由内核参数控制 /proc/sys/kernel/sched_rr_timeslice_ms，默认 100ms。

(2) 例子

同优先级 90的RR 任务 A、B：

• A 运行一段时间，时间片耗尽 → 切换 B；
• B 时间片耗尽切回 A；
• 如果此时来了优先级 91 任务，立刻抢占 A/B。

(3) 适用场景

1) 场景 1：多传感器同步采集系统（工业检测平台）

• 设备同时采集：高速相机图像、激光测距、IMU 数据，三类采集线程设置相同实时优先级：
• 采集线程都需要周期性抢占普通任务；
• 没有任何一路采集拥有绝对最高权限，不能允许某一路持续占用 CPU 导致其他传感器丢帧；
• SCHED_RR 依靠时间片轮转，让多路采集线程轮流执行，均衡分配 CPU，防止单个传感器线程长期运行阻塞其余采集任务。

2) 场景 2：多通道实时音频处理（专业声卡、音频工作站）

• 多路音频轨道渲染、音效滤波、混音输出，全部设置为同一实时优先级；
• 如果用 SCHED_FIFO：最先被调度到的轨道线程会一直运行，其他声道饥饿，产生爆音、丢采样；
• 使用 SCHED_RR：同优先级各路音频线程按时间片轮流执行，保证所有声道均衡获得 CPU 时间，避免单一路径独占，保障多路音频同步输出。

四、cpu亲和性

CPU 亲和性（CPU Affinity），就是强制把某个线程 / 进程 “绑定到一个或多个 CPU 核心上运行”，限制内核调度器不能随意把它迁移到其他核心。

1. 为什么迁移 CPU 会带来延迟

线程从 CPU0 切换到 CPU1 时：

• L1/L2 缓存失效，新核心缓存为空，大量 Cache Miss；
• TLB 刷新；
• 跨 NUMA 节点内存访问延迟飙升；
• 引入不可预测的调度抖动。

2. cpu亲和性在Linux中分为两种

• 软亲和性：调度器倾向尽量不迁移，不强制；
• 硬亲和性：通过 API 显式掩码绑定，强制限制可运行的核心集合。

3. CPU 掩码

掩码每一位代表一个核心：
0b0001 → 只能跑在 CPU0
0b0101 → 可以跑在 CPU0、CPU2

4. C代码绑定当前线程到 CPU3

cpu_set_t mask;
CPU_ZERO(&mask);
CPU_SET(3, &mask);
sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask);

五、内存锁

mlock：把进程虚拟内存锁定在物理内存，禁止内核把这块内存交换（swap）到磁盘。

1. 背景知识

Linux 默认采用虚拟内存 + 按需分页（Demand Paging）：

• 程序启动时，只有虚拟地址，物理内存不一定立刻分配；
• 内存不足时，内核会把不常用页面换出到 swap 磁盘；
• 程序访问尚未载入物理内存的地址 → 缺页异常（Page Fault）。内核要从磁盘读取页面，耗时毫秒级甚至十几 ms，对于微秒级实时闭环是致命延迟尖峰。
  实时任务最大敌人之一：运行中途触发缺页故障。mlock 就是用来杜绝运行时 page fault。

2. 内存锁两个系统调用

(1) mlock()，锁定指定一段内存区域（堆、全局数组、共享内存）。

int mlock(const void *addr, size_t len);

mlock 做了两件核心事

• 强制所有虚拟页立刻映射到物理内存，主动触发缺页（在初始化阶段一次性完成）；
• 标记页面不可被回收、不可 swap out，运行期间不会再产生磁盘 IO 类缺页。

(2) mlockall()

// MCL_CURRENT：锁定当前已经分配的所有内存
// MCL_FUTURE：锁定将来新分配的内存（malloc/mmap）
int mlockall(int flags);

工程实时程序最常用：mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE)

六、四足机械狗/人形机器人实时软件进程隔离规则

以下隔离规则统一用主流工控平台8核CPU举例。

1. 底层运动控制层隔离规则

底层运动控制代表程序有EtherCAT 主站、力矩闭环、全身 WBC 控制器。这类底层运动控制程序应独占CPU3，不与任何其他线程共享核心。调试策略用先进先出SCHED_FIFO调度，不要使用SCHE_RR。进程启动第一时间执行 mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE)，防止运行时缺页。线程内部禁止调用阻塞IO、printf大量打印、磁盘写操作。禁止调用ROS、GPU推理等耗时不定的库。EtherCAT网卡中断IRQ手动绑定CPU3。不要把视觉、SLAM任何线程放到CPU3，一旦CPU3出现计算尖峰，容易导致伺服丢周期，机器人摔倒。

2. 运动规划层隔离规则

运动规划层的代表程序有步态规划、平衡控制、状态估计等。这类程序的典型周期为200Hz~500Hz，指定其运行在CPU2。优先级低于伺服闭环，保证当闭环线程需要CPU时，可以立刻抢占规划线程。允许做矩阵运算、QP优化（WBC二次规划）。规划层计算超时只会影响步态流畅性，不会造成电机失控。步态规划可以和状态估计共享CPU2，但是尽量拆分为独立线程，区分优先级。

3. 环境感知层隔离规则

环境感知的代表程序有相机、激光雷达、SLAM等。全部不允许这类程序进入隔离实时核，可指定这类程序运行在CPU1。图像推理、点云处理耗时抖动极大，属于典型“计算时长不可预测任务”。对于这类程序一律使用SCHED_OTHER CFS 调度。如果需要略微降低延迟，可少量使用SCHED_RR策略。感知结果通过共享内存或内存零拷贝传递给运动规划程序。避免让感知线程直接调用运动控制接口。

4. 人机交互层隔离规则

人机交互程序主要有手柄、语音对话、上位机客户端、网页控制端等。对于这类程序可指定在CPU0或CPU4中执行，采用普通分时调度即可。因为，它们只负责解析指令、输出目标姿态/目标速度给运动规划层。交互模块丢失几帧指令只会造成操控卡顿，不影响机器人稳定。此外，网络收发、语音解码存在不确定延迟，不要将这类程序提升至实时优先级。

七、四足机械狗/人形机器人软件进程隔离架构图