Xenomai 简介：发展历史、架构与应用场景

本系列教程将带领大家从零开始学习 Xenomai 实时系统，本文是第2篇。

Xenomai 发展历史

起源（2001年）

Xenomai 项目始于 2001年8月，由法国工程师 Philippe Gerum 创建。最初目的是为 Linux 提供一个高性能的实时扩展框架，让 Linux 能够满足工业控制等领域的硬实时需求。

在 Xenomai 出现之前，Linux 想要实现实时性非常困难，需要大量的内核补丁。Xenomai 的出现改变了这一局面。

与 RTAI 融合（2003年）

2003年，Xenomai 与 RTAI（Real-Time Application Interface）项目合并，推出了 RTAI/fusion，这就是 Xenomai 3 的前身。这次合并吸收了 RTAI 的优秀设计理念，形成了现在看到的 Xenomai 架构。

版本演进

版本	时间	特点
Xenomai 2.x	2005-2015	基于 Adeos I-pipe 补丁，最成熟的版本
Xenomai 3.x	2015-至今	支持 I-pipe 和 Dovetail 双接口
Xenomai 4.x	开发中	EVL 核心，全新架构

演进趋势

Xenomai 2.x → Xenomai 3.x → Xenomai 4.x
   (I-pipe)    (I-pipe/Dovetail)  (EVL)

从时间线可以看出，Xenomai 一直在演进。Xenomai 3.x 是目前最常用的版本，它同时支持两种内核接口：传统的 I-pipe 和新一代的 Dovetail。Xenomai 4.x 正在开发中，引入了 EVL（Explicitly Volatile List）核心。

Xenomai 核心概念

双内核架构

Xenomai 采用双内核设计，这是它与其他实时方案最大的不同：

• Cobalt 内核：实时微内核，负责处理硬实时任务
• Linux 内核：通用操作系统，处理非实时任务

两者并行运行，硬件中断首先被 Cobalt 拦截，实时任务直接在 Cobalt 上执行，非实时任务才交给 Linux。

这种设计的优势是：实时任务的执行不受 Linux 任何影响，Linux 即使负载很高，也不会干扰实时任务的确定性。

域（Domain）

Xenomai 将系统划分为两个域（Domain）：

域	优先级	说明
Xenomai 域 (Cobalt)	高	硬实时任务，优先调度
Linux 域	低	普通任务，背景运行

这种优先级机制确保了实时任务始终能够第一时间获得 CPU 资源。

中断管道

Xenomai 通过中断管道（Interrupt Pipeline） 拦截硬件中断：

1. 硬件中断首先进入 Xenomai 域（Cobalt）
2. Cobalt 判断中断类型：
   • 实时中断：立即在 Cobalt 域处理
   • 普通中断：转发给 Linux 域处理
3. 如果是实时任务触发的中断，Cobalt 可以直接唤醒对应任务

这种设计保证了中断响应的确定性，这是硬实时系统的关键。

I-pipe vs Dovetail（重点详解）

这是 Xenomai 3.x 最重要的特性之一。I-pipe 和 Dovetail 是两种不同的 Linux 内核接口方案，它们的作用是让 Xenomai 能够"插入"到 Linux 内核中。

为什么需要内核接口？

Xenomai 需要在 Linux 之前拦截硬件中断、管理调度。这意味着需要对 Linux 内核进行一些修改。内核接口就是这种修改的标准方式。

I-pipe（传统方案）

I-pipe（Interrupt Pipeline） 是 Xenomai 最早使用的接口，也称为 AdeOS 或 Adeos。

工作原理：

硬件中断 → I-pipe 补丁层 → Xenomai 域 → Linux 域

I-pipe 在 Linux 内核和硬件之间增加了一个"管道层"，所有中断都先经过这个管道，再分发给 Xenomai 或 Linux。

特点：

• 成熟稳定，经过20多年验证
• 代码量较大（约数万行补丁）
• 对内核版本依赖性强，每个内核版本需要单独适配
• 仍在维护，但新功能较少
• 适合旧项目和对稳定性要求高的场景

支持的 Linux 版本：

• 2.6.x ~ 4.x 系列
• 最新的 I-pipe 补丁支持到 Linux 4.19/5.x

Dovetail（新一代方案）

Dovetail 是 2019 年推出的新一代接口，旨在解决 I-pipe 的一些问题。

设计目标：

• 更轻量，代码量更少
• 更容易维护
• 与主线 Linux 内核更好的兼容性

工作原理：

硬件中断 → Dovetail 层 → Xenomai 域 → Linux 域

Dovetail 利用了 Linux 内核的一些新特性（如 kernel markers），以更优雅的方式实现中断拦截，不需要大规模的内核补丁。

特点：

• 代码量小（约几千行）
• 维护简单，跟进主线内核快
• 与主线内核兼容性更好
• 推荐新项目使用
• 活跃开发中

支持的 Linux 版本：

• 5.x ~ 6.x 系列
• 目前推荐用于 Linux 6.x

对比总结

特性	I-pipe	Dovetail
代码量	较大（~30K行）	较小（~5K行）
维护状态	维护中	活跃开发
内核兼容性	较差，需大量适配	更好，跟进主线
性能	略优	略低（但足够）
推荐场景	旧项目、稳定性优先	新项目、未来趋势

如何选择？

• 新项目：推荐使用 Dovetail
• 旧项目迁移：根据情况选择
• 追求稳定性：I-pipe 更成熟

Philippe Gerum 的解释

Xenomai 作者 Philippe Gerum 在 2019 年的演讲中提到：

“Dovetail 是为了解决 I-pipe 维护困难的问题而设计的。I-pipe 需要对每个内核版本进行大量适配工作，而 Dovetail 利用了内核的 tracepoint 机制，大大减少了需要修改的代码。”

Xenomai 核心组件

1. Cobalt 内核

Cobalt 是 Xenomai 的实时核心，运行在 Linux 之上：

• 实时任务调度：基于固定优先级和 EDF 算法
• 实时中断处理：确保中断响应时间确定
• 优先级管理：支持 256 级优先级
• 内存管理：实时内存池，避免动态分配延迟

2. libcobalt

提供给应用程序的 C 语言库：

• POSIX 接口：pthread、mutex、sem 等
• 原生 Xenomai 接口：更高效的实时 API
• API 兼容层：支持 VxWorks、RTEMS 等其他实时系统的 API

3. RTDM（Real-Time Driver Model）

实时设备驱动接口：

• 统一的驱动编程模型
• 实时驱动与普通驱动的区别
• 支持常见的设备类型（字符设备、网络设备等）

4. 多种 API 接口

Xenomai 的一个重要优势是多 API 支持：

┌─────────────────────────────────────┐
│           应用层                     │
├─────────────────────────────────────┤
│  POSIX  │  VxWorks  │  RTEMS  │ ... │  ← 不同 API
├─────────────────────────────────────┤
│           libcobalt                 │  ← 统一接口层
├─────────────────────────────────────┤
│           Cobalt 内核               │  ← 实时核心
├─────────────────────────────────────┤
│     I-pipe / Dovetail 接口          │  ← 内核接口
├─────────────────────────────────────┤
│           Linux 内核                 │  ← 通用系统
└─────────────────────────────────────┘

这意味着：你可以在不改变应用程序的情况下，在不同实时系统之间切换。

应用场景

工业控制

• PLC（可编程逻辑控制器）：硬实时控制
• 运动控制器：多轴电机控制，毫秒级精度
• 机器人控制：实时轨迹规划
• 数控机床：高精度加工

实时通信

• EtherCAT 主站：工业以太网，微秒级同步
• PROFINET IRT：实时工业以太网
• RTnet：开源实时网络栈

测试测量

• 高速数据采集：多通道同步采样
• 示波器/逻辑分析仪：实时信号显示
• 实时信号处理：FFT、滤波等

航空航天

• 飞行控制系统：安全关键系统
• 模拟器：实时仿真
• 卫星控制：姿态控制

为什么选择 Xenomai？

核心优势

优势	说明
硬实时性	微秒级延迟确定性，最坏情况可预测
多 API	支持 POSIX、VxWorks、RTEMS 等，无需重写代码
RTDM	统一的实时驱动模型
社区活跃	持续更新，文档完善
硬件支持	x86、ARM、PowerPC、MIPS 等多种架构

对比其他方案

特性	PREEMPT_RT	Xenomai	RTLinux
架构	单内核	双内核	双内核
实时性	软实时	硬实时	硬实时
复杂度	低	中	高
维护状态	主线	活跃	很少维护
多 API	无	支持	有限

PREEMPT_RT 和 Xenomai 是目前最流行的两种 Linux 实时方案：

• PREEMPT_RT 适合对实时性要求不那么严格，但希望简单部署的场景
• Xenomai 适合工业控制等对确定性要求极高的场景

如何获取 Xenomai？

源码仓库

• 官方仓库：https://git.xenomai.org/
• GitHub 镜像：https://github.com/xenomai-ci/xenomai

内核版本选择

Linux 版本	推荐接口	说明
4.x	I-pipe	稳定
5.x	Dovetail	推荐
6.x	Dovetail	最佳支持

总结

本文详细介绍了 Xenomai 的各个方面：

• 发展历史：从 2001 年至今 20 多年的演进
• 双内核架构：Cobalt + Linux 的独特设计
• I-pipe vs Dovetail：两种内核接口的详细对比（重点！）
• 核心组件：Cobalt、libcobalt、RTDM
• 应用场景：工业控制、实时通信、测试测量
• 优势：硬实时性、多 API 支持

---

思考题：

1. 你的项目应该选择 I-pipe 还是 Dovetail？为什么？
2. 你计划把 Xenomai 应用在什么场景？

欢迎在评论区留言讨论！

下篇预告： 环境搭建：内核编译、安装、配置 GRUB