Ubuntu 安装实时内核指南

在运行需要高精度和低延迟响应的机器人驱动程序时，安装一个具备实时内核（Real-Time Kernel）的 Ubuntu 系统是至关重要的。若缺乏实时系统的支持，高频率的控制指令可能会导致机器人运动轨迹不流畅，甚至产生抖动现象。以下是如何在 Ubuntu 上安装实时内核的详细步骤。

1. 安装编译所需工具

首先，确保你已经安装了编译内核所需的工具链和库文件。可以通过以下命令进行安装：

sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential bc ca-certificates gnupg2 libssl-dev wget gawk flex bison

2. 检查当前内核版本

在下载实时内核源代码之前，检查当前系统的内核版本：

uname -r

例如，输出可能是 4.15.0-62-generic。

3. 创建临时文件夹

由于内核编译会占用大量磁盘空间（至少 25GB），建议创建一个临时文件夹来存放内核源代码和编译产物。你可以在 /home 目录下创建一个临时文件夹：

mkdir -p ${HOME}/rt_kernel_build
cd ${HOME}/rt_kernel_build

4. 下载实时内核源代码和补丁

选择一个与你当前内核版本相近的实时内核版本。例如，如果当前内核是 4.15，你可以选择 4.14 的实时内核版本（注意实时补丁仅适用于特定的内核版本）。

下载内核源代码、实时补丁以及它们的签名文件：

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/4.14/patch-4.14.139-rt66.patch.xz
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/4.14/patch-4.14.139-rt66.patch.sign
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.14.139.tar.xz
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.14.139.tar.sign

解压文件：

xz -dk patch-4.14.139-rt66.patch.xz
xz -d linux-4.14.139.tar.xz

5. 验证文件完整性

为了验证下载的文件的完整性，你需要导入内核开发人员和补丁作者的公钥，并验证签名。

gpg2 --locate-keys torvalds@kernel.org gregkh@kernel.org

然后验证签名：

gpg2 --verify linux-4.14.139.tar.sign
gpg2 --verify patch-4.14.139-rt66.patch.sign

6. 编译实时内核

解压内核源代码并应用实时补丁：

tar xf linux-4.14.139.tar
cd linux-4.14.139
xzcat ../patch-4.14.139-rt66.patch.xz | patch -p1

配置内核选项，选择“完全抢占内核”（Fully Preemptible Kernel）作为抢占模型，其他选项使用默认值即可：

make oldconfig

配置完成后，开始编译内核：

make -j `getconf _NPROCESSORS_ONLN` deb-pkg

编译完成后，在父文件夹中安装 linux-headers 和 linux-image 包：

sudo apt install ../linux-headers-4.14.139-rt66_*.deb ../linux-image-4.14.139-rt66_*.deb

7. 设置用户权限以执行实时任务

为了允许用户以实时优先级运行线程，需要修改 /etc/security/limits.conf 文件。建议创建一个新的组（如 realtime），然后将用户添加到该组：

sudo groupadd realtime
sudo usermod -aG realtime $(whoami)

在 /etc/security/limits.conf 中添加以下内容：

@realtime soft rtprio 99
@realtime soft priority 99
@realtime soft memlock 102400
@realtime hard rtprio 99
@realtime hard priority 99
@realtime hard memlock 102400

8. 设置 GRUB 引导默认内核

更新 GRUB 配置，将新的实时内核设置为默认引导项。首先，通过以下命令找到新内核的 GRUB 菜单项名称：

awk -F\' '/menuentry |submenu / {print $1 $2}' /boot/grub/grub.cfg

然后，修改 /etc/default/grub 文件，将 GRUB_DEFAULT 设置为新内核的菜单项名称：

sudo sed -i 's/^GRUB_DEFAULT=.*/GRUB_DEFAULT="Advanced options for Ubuntu>Ubuntu, with Linux 4.14.139-rt66"/' /etc/default/grub
sudo update-grub

9. 重启并验证

重启计算机，验证是否成功引导到新的实时内核：

uname -v | cut -d" " -f1-4

输出应该类似于 #1 SMP PREEMPT RT，表示实时内核已成功安装并运行。

通过以上步骤，你就可以在 Ubuntu 上安装并运行实时内核，为你的机器人驱动程序提供高精度和低延迟的保障。