Real-time OS 跨行业用例

by Canonical on 30 October 2025

在精度与可预测性毫无妥协的行业中，时间就是一切。无论是协调工厂车间的机械臂，还是维持电信网络的超高可靠低延迟，亦或是确保汽车制动系统的即刻响应，这些系统的顺利运行都取决于是否满足严格的时限要求。

这就是实时计算领域。在该应用领域中，操作系统（OS）必须确保关键任务能够准确无误地在需要时运行，不得有任何延迟或不确定性。如今，实时 Linux 正逐渐成为此类场景中的主流解决方案。

本文将首先介绍实时操作系统的基本概念，以及其对于依赖绝对可靠性与瞬时性能的行业而言为何至关重要。其次将深入探讨实时 Linux 在制造业、电信行业与汽车行业的应用。

实时 Linux 适用于工业用例吗？

在整体运行成败取决于能否满足时间约束要求的场景中，精确且可预测地执行时间关键型任务至关重要。具备实时功能的操作系统正是为事件发生时即刻响应而设计，力求实现确定性响应时间，以确保关键任务在设定时限内完成，同时将抖动与延迟控制在最小范围。

硬实时操作系统（RTOS）专为满足嵌入式系统、工业自动化、汽车控制、医疗设备、航空航天等领域以及超过时限则视为系统故障的其他领域中的严苛时间要求而设计。RTOS 可以提供确定性的任务调度、精细的资源管理以及可预测的中断处理等功能。多数 RTOS 产品会经过严格的质量检验与认证，以实现在时间预算极紧、可靠性要求极高的安全关键型环境的部署。

不过，RTOS 通常具有专用化属性，且适用范围有限。其占用空间小，采用静态配置，使用针对特定场景的 API，这些特点使其能够高效应用于特定的控制应用，但不太适用于需要兼容多样化软件栈、复杂网络或面向用户型应用的场景。

相比之下，Linux 生态系统可以提供丰富的功能、成熟的驱动程序支持、先进的调试工具与广泛的硬件兼容性，这些特性能够大幅缩短从规格制定到生产的开发周期。过去，由于存在非确定性调度与无限制内核延迟，都避免将 Linux 用于实时工作负载。不过，这一局面随着 PREEMPT_RT 补丁集的推出而发生了改变，该补丁集通过让几乎所有内核代码均可抢占、优化中断响应并实现基于优先级的调度机制，系统性地降低了最坏情况延迟。自 Linux v6.12 内核起，PREEMPT_RT 一直作为主线内核的一部分，其中 6.12-rt 是当前最新的稳定实时版本。搭载 PREEMPT_RT 的 Linux 并非将 Linux 变为硬实时操作系统，而是对通用操作系统进行调整，以满足多数软实时和硬实时要求。实际上，搭载 PREEMPT_RT 的实时 Linux 系统可以实现足够适用于工业、电信、汽车等领域应用的低延迟，且无需受限于特定的 RTOS 环境或专用硬件。

了解完实时操作系统的基本概念后，我们不禁要问：业内实时操作系统示例和用例有哪些呢？我们一起来探讨。

实时操作系统如何应用于各个行业？

无论是助力工业自动化，保障电信网络超低延迟，还是为医疗与交通行业安全关键型系统的运行提供支持，具备实时功能的操作系统都是所有实时硬件和软件栈的核心组件。这类操作系统旨在满足从能源、石油天然气、制造业到汽车、航空、医疗系统等各个行业的严苛时间和响应性要求。只要是要求精确性、可靠性以及瞬间决策的场景，实时计算都至关重要。

如今的各种工作负载对精确时间的要求越来越高。实时操作系统在不同行业的应用方式各异，下面是一些具体的示例：

制造业

在现代制造业与过程控制环境中，实时操作系统正越来越多地与工业个人计算机 （IPC）搭配部署，或部署在 IPC 内部，用以处理过去需要专用硬件进行处理的任务。传统上的作法，IPC 用于非时间关键型工作负载，例如人机交互界面（HMI）、SCADA 前端和数据采集；而实时控制则交给专用的可编程逻辑控制器（PLC）或嵌入式控制器。通用操作系统中缺乏确定性调度，因此限制了 IPC 在直接控制机器或进程控制中的作用。

搭载 PREEMPT_RT 补丁集的 Linux 可以实现限制性延迟与确定性任务调度，使得 IPC 能够满足实时要求。这推动了应用趋势的转变，大家逐渐倾向于整合工作负载，将人机界面、分析功能和控制功能整合到单一、高性能且具备实时功能的 IPC 平台。对于工厂车间而言，确定性运行与低延迟实时响应是至关重要的。用于缺陷检测的 PLC、CNC 控制器和视觉系统，都必须在通常为亚毫秒级的固定周期内完成数据交换与处理，才能维持系统稳定性和产品质量。漏掉一个控制周期都会导致生产线停机、设备损坏或者安全隐患。

过去，工业控制网络依赖于专有的现场总线协议，如采用孤立且专用设计的拓扑结构的 PROFIBUS、Modbus RTU 等协议。这些系统虽能满足可预测性时间要求，但会限制互操作性以及阻碍更高级别的数据整合。如今的部署正逐步转用基于以太网的时间敏感网络（TSN）协议，其既需要确定性的网络处理，也需要实时操作系统支持。

实时 Linux 恰好填补了传统封闭式现场总线系统与现代开放式 IT 融合架构之间的鸿沟。工业系统才得以采用开源软件，利用标准硬件，以及满足严苛的时间要求。特别值得一提的是，在 Intel Atom 和 Core 处理器上，Real-time Ubuntu 22.04 LTS 还支持运行 IEEE 802.1 TSN。TSN 的技术基石是高精度时间同步，这样可以确保网络中的所有设备（从传感器、执行器到控制器）都能具有统一时间基准，且同步精度可达亚微秒级。这有助于实现时间感知流量整形，即用于控制和自动化的数据帧会按照精确设定的时间间隔进行传输，从而避免出现抖动并确保在限定延迟时间内完成传输。此外，TSN 还可以通过多重机制提高可靠性，例如通过帧复制与消除实现容错，以及通过隔离或预防异常设备维持网络完整性。TSN 还支持设备与应用的自动化配置，其中通常运用的是软件定义网络 （SDN）原理，这样有助于简化在复杂工业环境中的部署和重新配置流程。

电信行业 

在电信领域，超低延迟、可预测性能与安全处理实时数据是确保服务质量和基础架构可靠性的关键因素。在 4G 和 5G 时代，网络架构逐渐向虚拟化无线接入网（vRAN）转变，运营商能够将硬件与网络功能分离，从而提高可扩展性、灵活性和资源利用率。传统的 RAN 部署依赖专用硬件进行基带处理，虽能实现确定性的性能，但缺乏虚拟化解决方案的敏捷性。而通过将 vRAN 与具备实时功能的 Linux 内核结合，运营商可在商用现成硬件上实现确定性调度与限制性延迟，进而实现经济高效的高性能部署。

OpenRAN 通过引入开放式接口和供应商中立型生态系统，进一步加快了这一转型步伐。在虚拟化 OpenRAN 环境中，实时 Linux 可以确保 Layer 1（物理层）基带处理、前传调度等时间关键型功能严格满足通常约数十微秒的延迟预算要求。这一能力对于 5G 工作负载的运行是关键，因为其中的调度窗口与符号处理时间极短。

在电信运营商可选用的解决方案中，Intel FlexRAN 参考软件栈是这一方法的典型代表，其提供了针对 Xeon 处理器及加速技术进行了优化的云原生 vRAN 实现方案。

在 Real-time Ubuntu 22.04 LTS 上运行 FlexRAN，可将上游 Kubernetes 和自动化框架与专门针对电信工作负载优化的最新实时内核结合，从而实现进一步的性能提升。这样的组合可以让通信服务提供商借助开源工具实现 RAN 现代化升级，同时还能保持运营商级部署所需的确定性性能。

探索适用于 Real-time Ubuntu 22.04 LTS 上运行 FlexRAN 且联合 Intel 共同验证的架构方案 >

汽车行业

汽车系统对确定性实时性能以及功能完备操作系统灵活性的需求越来越高。从制动和转向系统中的安全关键控制回路，到车与万物互联（V2X）网络中延迟敏感型通信，再到卡车编队或铁路交通控制中的协调工作，都广泛存在着实时需求。在这些场景中，未在时限内完成任务，可能导致系统性能下降，甚至引发灾难性安全事故。

过去，这些硬实时约束通常要求专用的 RTOS 来满足，其可提供适用于电子控制单元（ECU）的极小型确定性内核。对于深度嵌入式、安全认证型且必需要求微秒级响应时间和确定性中断处理的工作负载，例如线控制动系统、发动机控制、安全气囊触发，RTOS 仍是优选方案。

然而，向软件定义汽车（SDV） 转变的趋势正推动可以运行混合工作负载的更高性能域控制器进行功能整合。例如，一个中央计算单元可以同时运行高级驾驶辅助系统（ADAS）感知栈、车载信息娱乐系统、连接服务，甚至无线更新框架以及时间关键型控制应用。在这类场景下，具备实时功能的通用操作系统则可以提供部分控制功能所需的确定性，同时还支持丰富的应用生态系统、容器化工作负载、高级网络栈和标准软件开发工具链。实时 Linux 与 Kubernetes 等容器化平台的组合，可以让原始设备制造商与一级供应商在车辆整个生命周期内对车载软件进行更新、扩展和安全升级，这些都是依靠传统 RTOS 单一架构难以实现的操作。

在广泛的汽车领域中，实时 Linux 正逐步应用于车载娱乐系统和 HMI 中，其将多媒体播放、导航、语音控制等功能进行整合，同时也不会影响确定性任务的执行。就车载场景而言，实时操作系统还可以在 ECU 中实现传感器融合与决策，ECU 还能与云服务进行通信，实现预测性维护或车辆优化。同样地，V2X 通信也支持按照严苛的延迟时限处理 IEEE 802.11p 或 5G C-V2X 消息，以实现避撞或交通协调等功能。除车载场景外，实时 Linux 的其他应用包括在铁路和交通管制操作的场景下，运行基于 Linux 的集中型控制系统，通过确定性调度来实现信号控制与路线规划逻辑。

Canonical 针对汽车行业需求推出的 Real-time Ubuntu 提供包含长期支持服务的 Linux 发行版，其搭载优化版 PREEMPT_RT 内核，能够助力制造商打造集安全性、性能和创新与一身的 SDV。

开始使用实时 Linux

PREEMPT_RT 现已融合到 Linux 主线版本之中，这是否意味着设备制造商可以获得并将其部署到生产环境中呢？不要着急。

在选择具备实时功能的操作系统时，专业支持的重要性往往会被低估。面对持续出现的漏洞以及频繁发生的攻击事件，开发人员务必意识到仅依赖社区维护的开源软件所存在的风险。漏洞扫描固然重要，但企业不能将安全完全依赖于个人贡献者。可靠且久经考验的安全更新才是关键。

对设备制造商、电信运营商及工业企业而言，自行维护实时操作系统需要具备深厚的内行专业知识，至于生命周期较长的产品，自行维护将更加困难。错误的更新可能会破坏系统的稳定性，因此与商业供应商达成服务水平协议会是一个更为安全的选择。

例如 Real-time Ubuntu，其提供生产级发行版，并附带 10 年以上的安全维护与支持服务。Canonical 的工程团队负责管理所有 Ubuntu 内核及衍生版本，并通过严格的流程应用和测试针对 Linux 内核 CVE 的关键补丁。这种模式将精心设计、专业维护和丰富的部署经验相结合，以确保高可靠性。

虽然我们在开发 Real-time Ubuntu 时，为使其在跨用例、跨领域应用中实现卓越的性能而投入了大量工作，但对您而言，只需简单几步即可在个人工作站上运行 Real-time Ubuntu。

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