docs: add alternative real-time research frameworks

项目框架2-面向机器人大小脑异构系统的实时保障研究/00-项目总览/01-研究问题、定位与边界.md

@@ -0,0 +1,67 @@
+# 研究问题、定位与边界
+
+## 1. 工业背景
+
+机器人同时包含两类时间尺度显著不同的任务：
+
+- 感知、语言理解、任务规划和大模型推理计算量大、运行时间动态，通常属于软实时或固实时；
+- 姿态稳定、关节控制、力控、现场总线和安全联锁按固定周期运行，通常属于硬实时或严格固实时。
+
+把两类任务简单部署在同一 Linux 系统中，会产生调度、中断、内存带宽、DMA、功耗和故障传播问题；把完整 AI 软件栈迁入 RTOS，又会面临驱动、运行时、模型生态和不可控加速器执行路径问题。
+
+## 2. 研究对象
+
+本项目研究的是机器人大小脑异构系统，而不是单独研究 RTOS 或大模型：
+
+| 子系统 | 工程角色 | 主要软件 |
+|---|---|---|
+| 大脑域 | 环境理解、模型推理、任务规划、技能选择 | Linux、ROS 2、LLM/VLM/VLA、GPU/NPU 运行时 |
+| 技能与安全接口 | 命令结构化、白名单技能、期限和约束检查 | 跨域协议、安全监控器、行为管理器 |
+| 小脑域 | 状态估计、轨迹跟踪、关节控制、联锁和降级 | RTOS、控制算法、关键设备驱动 |
+| 隔离层 | CPU、内存、设备、中断和故障域分区 | Hypervisor、AMP、IOMMU 或静态硬件分区 |
+
+## 3. 核心研究问题
+
+> 在机器人大小脑异构平台中，如何建立跨域时间契约和资源隔离机制，使动态、不可完全预测的大脑负载不会破坏小脑控制的实时边界，并使大脑输出能够被安全、按期地使用？
+
+分解为五个问题：
+
+1. 大脑负载通过哪些 CPU、缓存、内存、I/O、中断、DMA 和热路径干扰小脑控制？
+2. 静态分核与 Hypervisor 分域能够隔离哪些干扰，仍有哪些共享硬件干扰无法消除？
+3. 大小脑之间应采用什么时间契约、消息语义和队列策略？
+4. 大脑输出迟到、过期、错误或低置信度时，小脑如何在规定时间内回退？
+5. 大脑域、加速器或通信通道故障时，机器人能否持续受控并完成隔离和恢复？
+
+## 4. 研究边界
+
+### 纳入范围
+
+- 机器人本体或近端边缘计算平台；
+- RTOS 小脑与 Linux 大脑并行运行；
+- 控制任务 deadline、AI 结果期限和新鲜度；
+- 跨域通信、共享资源干扰、故障隔离和安全降级；
+- 大模型、视觉或规划作为大脑压力负载。
+
+### 不作为主线
+
+- 大模型训练；
+- T1 多节点集群吞吐优化；
+- 证明大模型本身具备硬实时性；
+- 用平均推理时延替代机器人控制实时性；
+- 让自然语言输出直接控制电机力矩。
+
+## 5. 基本原则
+
+1. 小脑不依赖大脑即可维持基本稳定和安全状态。
+2. 大脑输出的是目标、技能或受约束轨迹，不直接绕过控制器驱动执行器。
+3. 小脑不得同步阻塞等待大脑推理完成。
+4. 所有大脑输出必须携带时间戳、序号、有效期、状态和必要的安全约束。
+5. Hypervisor 只是一种隔离手段，隔离效果必须通过压力和故障实验验证。
+
+## 6. 预期贡献
+
+- 一套面向大小脑系统的多时间尺度任务模型；
+- 一套有期限、有新鲜度、有回退语义的跨域通信契约；
+- 一套 RTOS/Linux/Hypervisor 资源和故障隔离机制；
+- 一套覆盖正常、过载、热稳态和故障状态的实验方法；
+- 大脑智能能力、控制实时性和资源代价之间的适用边界。

项目框架2-面向机器人大小脑异构系统的实时保障研究/10-研究框架/00-整体研究框架.md

@@ -0,0 +1,90 @@
+# 整体研究框架
+
+## 1. 系统架构
+
+```text
+操作员/任务系统
+       │
+       ▼
+┌────────────────────────────────────────────┐
+│ Linux 大脑域                               │
+│ 感知、LLM/VLM/VLA、任务规划、技能选择      │
+│ GPU/NPU、ROS 2、模型运行时                 │
+└──────────────────┬─────────────────────────┘
+                   │ 有界异步命令
+                   │ 序号/时间戳/期限/有效期
+┌──────────────────▼─────────────────────────┐
+│ RTOS 小脑域                                │
+│ 安全校验、状态估计、轨迹跟踪、关节控制     │
+│ 现场总线、联锁、超时回退、安全状态         │
+└──────────────────┬─────────────────────────┘
+                   │ 周期控制量
+                   ▼
+              执行器与机器人本体
+
+     Hypervisor / AMP / IOMMU / 静态资源分区
+```
+
+传感数据按需求分别进入大小脑：高频本体反馈优先直达小脑，图像、语音和复杂环境信息主要进入大脑。关键安全传感器不得仅通过 Linux 域转发。
+
+## 2. 三层时间模型
+
+| 层次 | 典型任务 | 时间属性 | 主要指标 |
+|---|---|---|---|
+| L1 控制闭环 | 关节控制、姿态稳定、联锁 | 硬实时/严格固实时 | deadline、jitter、最大响应时间 |
+| L2 技能与决策窗口 | 轨迹片段、目标位姿、避障决策 | 固实时 | 按期率、新鲜度、回退率 |
+| L3 认知与交互 | 语言理解、长任务规划、解释 | 软实时 | TTFT、端到端延迟、任务成功率 |
+
+基本约束为：
+
+```text
+R_control <= D_control
+
+采用大脑结果时：
+R_brain <= D_brain AND age(result) <= A_max
+
+大脑不可用时：
+R_fallback <= D_fallback
+```
+
+## 3. 三条研究主线
+
+### 主线一：时间契约
+
+- 规定大脑输出的期限、有效期和更新频率；
+- 把大脑输出转换为结构化技能或轨迹约束；
+- 对迟到、乱序、重复和低置信度结果定义统一处理；
+- 保证小脑在没有新命令时仍能连续控制。
+
+### 主线二：资源与故障隔离
+
+- 为小脑保留 CPU 核、内存、定时器和关键 I/O；
+- 路由关键中断到 RTOS 域；
+- 限制 Linux 和加速器 DMA 范围；
+- 测量 LLC、DRAM、互联、功耗和热等残余共享干扰；
+- 验证一个域崩溃或重启时另一域的持续运行能力。
+
+### 主线三：联合评价
+
+不能只报告控制延迟，也不能只报告大模型速度。结论必须联合回答：
+
+- 小脑控制是否按时；
+- 大脑结果是否按期且有效；
+- 分域使用了多少静态资源；
+- 推理吞吐和能效付出了多少代价；
+- 故障与恢复期间机器人是否保持受控。
+
+## 4. 研究假设
+
+- H1：大脑负载会通过共享资源显著扩大控制尾延迟。
+- H2：RTOS/Linux 分域能够降低调度、中断和故障传播影响，但不能自动消除内存带宽与热耦合。
+- H3：有界异步时间契约能够避免小脑等待大脑，并降低过期决策进入执行路径的风险。
+- H4：准入、限流和故障降级可扩大“控制无违约且 AI 结果仍有用”的运行区域。
+
+## 5. 研究成果形态
+
+- 原型系统：RTOS 小脑域、Linux 大脑域与隔离层；
+- 跨域协议：请求、响应、心跳、超时和版本管理；
+- 实验工具：时间戳、压力发生、故障注入和物理链路测量；
+- 数据集：控制周期、大脑请求、功耗热状态和故障事件的对齐时间序列；
+- 论文结论：适用边界、收益来源和残余风险。

项目框架2-面向机器人大小脑异构系统的实时保障研究/10-研究框架/01-大小脑时间契约与跨域通信.md

@@ -0,0 +1,80 @@
+# 大小脑时间契约与跨域通信
+
+## 1. 接口原则
+
+大小脑之间采用异步、有界、可超时和可丢弃的消息通道。小脑控制线程不得执行无限等待、动态扩容或不可控的大块数据复制。
+
+大脑输出应从开放文本收敛为受约束结构：
+
+```text
+任务目标 → 白名单技能 → 参数与约束 → 小脑验证 → 执行
+```
+
+## 2. 消息模型
+
+### 请求
+
+| 字段 | 含义 |
+|---|---|
+| `request_id` | 唯一序号 |
+| `sample_time` | 输入数据采样时刻 |
+| `deadline` | 最晚可用时刻 |
+| `task_class` | 感知、规划、诊断或交互类别 |
+| `priority` | 域内服务优先级提示 |
+| `payload_ref` | 受控共享缓冲区引用 |
+| `schema_version` | 接口版本 |
+
+### 响应
+
+| 字段 | 含义 |
+|---|---|
+| `request_id` | 请求匹配 |
+| `finish_time` | 推理完成时刻 |
+| `valid_until` | 结果失效时刻 |
+| `model_version` | 模型版本和审计信息 |
+| `confidence/status` | 结果质量与错误状态 |
+| `skill_id` | 白名单技能编号 |
+| `constraints` | 速度、力、空间和持续时间约束 |
+| `checksum` | 完整性校验 |
+
+## 3. 小脑消费条件
+
+```text
+accept(result) =
+    id_match
+    AND schema_valid
+    AND checksum_valid
+    AND finish_time <= deadline
+    AND now <= valid_until
+    AND confidence >= threshold
+    AND skill_is_whitelisted
+    AND constraints_passed
+```
+
+拒绝结果后，小脑执行保持、传统控制、减速、停车或其他预定义回退，不等待大脑重新计算。
+
+## 4. 通信实现候选
+
+| 方式 | 优点 | 风险 | 适用场景 |
+|---|---|---|---|
+| 共享内存环形队列 + 通知 | 低复制、可控队列 | 缓存一致性和内存访问权限 | 同 SoC 分域主方案 |
+| RPMsg/邮箱 | SoC 生态常见、域间明确 | 消息大小和驱动能力受限 | MCU + 应用核 |
+| 虚拟设备 | 与 Hypervisor 集成 | VM exit 和虚拟中断开销 | 虚拟机分区 |
+| 以太网/TSN | 物理隔离、易扩展 | 网络栈与同步误差 | 双机大小脑 |
+
+## 5. 队列策略
+
+- 队列必须有固定容量；
+- 状态类消息可采用“只保留最新值”；
+- 事务类技能命令不得静默覆盖；
+- 大脑过载时优先拒绝低价值请求；
+- 小脑记录丢弃、超时、覆盖和回退原因；
+- 域重启后通过 epoch 或会话号拒绝旧消息。
+
+## 6. 验证重点
+
+- IPC 单向、往返、P99.9 和观测最大时延；
+- 消息大小、频率和队列深度的影响；
+- 队列满、乱序、重复、损坏和版本不一致；
+- 大脑域重启后的旧消息隔离；
+- 通信线程是否影响控制核和关键中断。

项目框架2-面向机器人大小脑异构系统的实时保障研究/10-研究框架/02-Hypervisor隔离、故障与降级.md

@@ -0,0 +1,67 @@
+# Hypervisor 隔离、故障与降级
+
+## 1. 隔离对象
+
+| 资源 | 推荐归属 | 验证问题 |
+|---|---|---|
+| 控制 CPU 核 | RTOS 独占 | Linux 满载时是否发生调度干扰 |
+| 关键内存 | RTOS 静态分区 | Linux OOM、换页或内存压力是否影响控制 |
+| 电机/编码器/现场总线 | RTOS 直通 | 中断和 DMA 是否经过 Linux |
+| GPU/NPU/摄像头 | Linux 独占 | 设备复位是否影响 RTOS |
+| 共享内存 | 最小固定区域 | 越界、缓存一致性和拥塞 |
+| 网络/存储 | Linux 为主 | 高频 IRQ 是否污染控制核 |
+
+## 2. 残余共享干扰
+
+分核和虚拟化不能自动消除：
+
+- LLC 和缓存互联竞争；
+- DRAM 带宽及内存控制器竞争；
+- SoC 总线与 DMA 拥塞；
+- 芯片级功耗限制；
+- 温度升高与全局降频；
+- 固件、系统管理中断和共享时钟源影响。
+
+因此需要分别实施 CPU、缓存、内存、I/O 和热压力实验，不能用“已使用 Hypervisor”代替隔离证据。
+
+## 3. 故障模型
+
+- 大脑推理进程崩溃或永久阻塞；
+- Linux 域卡死、内核错误或重启；
+- GPU/NPU 驱动错误和设备复位；
+- 共享队列溢出、损坏或失联；
+- 大脑持续产生过期或不安全命令；
+- Linux 域 CPU、内存、网络和存储过载；
+- 热降频导致推理与控制执行时间漂移。
+
+## 4. 降级状态机
+
+```text
+智能增强运行
+    │ 单次超时/低置信度
+    ▼
+保持当前安全技能或传统控制
+    │ 连续超时/通信故障
+    ▼
+隔离并重启大脑域
+    │ 本体风险上升
+    ▼
+减速、停车或安全状态
+```
+
+每个状态必须规定进入条件、最大驻留时间、控制策略、可用传感器、允许执行器动作和恢复条件。
+
+## 5. 安全监控职责
+
+安全监控器位于 RTOS 小脑域或独立安全核，至少负责：
+
+- 大脑心跳与期限监控；
+- 命令白名单和参数范围检查；
+- 速度、力矩、工作空间和碰撞约束；
+- 过期结果拒绝；
+- 大脑域隔离与重启请求；
+- 本地停车和安全状态执行。
+
+## 6. 核心结论边界
+
+实验可以证明指定平台和压力范围内的隔离效果，但不能自动证明形式化的最坏情况边界。若要宣称硬实时或功能安全，还需要可信 WCET、可调度性分析、硬件干扰上界和相应安全生命周期证据。

项目框架2-面向机器人大小脑异构系统的实时保障研究/20-实验与规划/01-实验设计.md

@@ -0,0 +1,67 @@
+# 实验设计
+
+## 1. 对照组
+
+| 编号 | 系统配置 | 作用 |
+|---|---|---|
+| A0 | 普通 Linux：控制与大脑负载同域 | 通用基线 |
+| A1 | PREEMPT_RT Linux：控制与大脑负载同域 | 实时 Linux 基线 |
+| A2 | RTOS 小脑 + Linux 大脑，基础分区 | 分域基线 |
+| A3 | A2 + CPU/IRQ/内存/IPC 治理 | 完整方案 |
+| A4 | A3 + 超时、降级和故障恢复 | 安全协同方案 |
+
+对照固定机器人控制任务、AI 模型、输入到达序列、硬件频率和功率策略。若推理后端不同，结果表述为系统方案比较，不单独归因于内核。
+
+## 2. 负载场景
+
+| 场景 | 内容 | 目的 |
+|---|---|---|
+| L0 | 仅小脑控制 | 实时性下界 |
+| L1 | 仅大脑推理 | 推理容量与功耗基线 |
+| L2 | 控制 + 感知/大模型 | 核心共存场景 |
+| L3 | L2 + CPU/内存压力 | 共享资源干扰 |
+| L4 | L2 + 摄像头/网络/存储 I/O | IRQ 与 DMA 干扰 |
+| L5 | L2 + 突发请求和过载 | 队列与准入边界 |
+| L6 | L2 长时间运行至热稳态 | 功耗和降频耦合 |
+| L7 | 进程、域、加速器和通信故障 | 隔离、降级与恢复 |
+
+## 3. 控制任务
+
+至少包含：
+
+- 高频周期控制任务；
+- 状态估计或轨迹跟踪任务；
+- 关键 I/O 或 GPIO 回环；
+- 安全监控与回退任务。
+
+无真实机器人时，先使用硬件在环、倒立摆、电机台架或确定性控制负载；不得仅用空循环替代全部控制语义。
+
+## 4. 大脑任务
+
+按平台能力选择视觉、VLM、VLA 或 LLM。大脑输出必须转换为结构化技能命令。分别扫描：
+
+- 请求率和突发强度；
+- 模型规模、输入长度和输出长度；
+- batch、队列长度与并发；
+- GPU/NPU 利用率；
+- 感知数据大小和通信频率。
+
+## 5. 故障注入
+
+依次实施：推理进程退出、请求永久阻塞、消息乱序或损坏、队列溢出、Linux 域重启、加速器错误。设备级故障只在具备可恢复路径时开展。
+
+记录故障发生、检测、回退、隔离、重启和首个恢复结果的完整时间线。
+
+## 6. 实施顺序
+
+1. 冻结控制 deadline、大脑结果期限和回退期限。
+2. 完成 A0/A1 的同域基线。
+3. 建立 A2 基础分域和最小 IPC。
+4. 扫描 CPU、内存、I/O 和热干扰。
+5. 加入 A3 治理机制并逐项消融。
+6. 加入 A4 故障状态机并开展故障注入。
+7. 进行长稳实验和独立确认批次。
+
+## 7. 最小闭环
+
+一台具备 RTOS/Linux 分域条件的边缘平台、一个可测量的控制任务和一个真实 AI 大脑负载，即可形成最小验证闭环，不要求扩展到工作站或集群。

项目框架2-面向机器人大小脑异构系统的实时保障研究/20-实验与规划/02-指标与证据.md

@@ -0,0 +1,60 @@
+# 指标与证据
+
+## 1. 小脑控制实时性
+
+- 周期任务释放、开始和完成时间；
+- 响应时间与完成抖动；
+- P50/P95/P99/P99.9 和观测最大值；
+- deadline miss ratio，报告分子与分母；
+- 外部输入到执行器输出的物理链路时延；
+- 过载、热稳态和故障期间的控制表现。
+
+## 2. 大脑结果可用性
+
+- 大小脑端到端决策时延；
+- deadline-hit ratio；
+- 结果新鲜度合格率；
+- 超时、过期、乱序、损坏和拒绝率；
+- 模型任务质量与置信度；
+- 大脑不可用时的回退发生率。
+
+## 3. 跨域与隔离代价
+
+- IPC 单向/往返延迟及尾部；
+- 拷贝次数、CPU 开销和队列占用；
+- 静态保留的 CPU、内存和设备资源；
+- 分域前后的推理有效吞吐和能效；
+- Linux 满载相对小脑空载的控制延迟增量；
+- LLC、DRAM、I/O 和热压力的敏感度。
+
+## 4. 故障与恢复
+
+- 故障检测时间；
+- 回退完成时间；
+- 域隔离和重启时间；
+- 故障窗口内控制违约数；
+- 恢复后首个有效大脑结果时间；
+- 是否出现不可恢复故障或错误动作。
+
+## 5. 联合判定
+
+系统配置只有同时满足下列条件才算有效：
+
+```text
+控制任务满足期限
+AND 大脑结果达到规定的按期率与质量
+AND 超时结果不会进入执行路径
+AND 故障时在期限内完成回退
+AND 资源和能耗代价可接受
+```
+
+平均推理时延降低但控制违约增加，不构成系统实时性改善；控制零违约但所有 AI 请求都被拒绝，也不构成有效协同。
+
+## 6. 推荐核心图表
+
+1. 大脑负载强度—控制违约率—结果按期率可行域；
+2. 单域与分域方案的控制尾延迟对比；
+3. CPU、内存、I/O 和热干扰消融图；
+4. 跨域时序分解图；
+5. 大脑故障期间控制时间序列；
+6. 静态资源预留与推理有效吞吐 Pareto 曲线。

项目框架2-面向机器人大小脑异构系统的实时保障研究/README.md

@@ -0,0 +1,45 @@
+# 项目框架2：面向机器人大小脑异构系统的实时保障研究
+
+## 一句话定位
+
+本项目研究机器人“大脑—小脑”异构系统的系统级实时保障：Linux 大脑域承担感知、推理与规划，RTOS 小脑域承担运动控制和安全保护，Hypervisor 或等价分区机制负责资源与故障隔离。
+
+## 核心问题
+
+> 当大模型、视觉和规划负载具有动态执行时间且可能过载或故障时，如何保证机器人控制闭环持续满足截止期，并使大脑输出只在满足时限、新鲜度和安全约束时进入执行路径？
+
+## 与另外两套框架的区别
+
+| 框架 | 研究主语 | 核心场景 | 本框架中的地位 |
+|---|---|---|---|
+| 框架1 | 大型跨平台 RTOS | T5～T1 五类部署形态 | 机制与设备资料来源，不作为本框架的统一谱系 |
+| 框架2 | 机器人大小脑异构系统 | RTOS 控制域 + Linux 推理域 | 当前目录的主线 |
+| 框架3 | MCU/资源受限 SoC | 轻量 AI 与实时控制同节点共存 | 小脑侧 AI 的专题补充 |
+
+## 目录结构
+
+- `00-项目总览/01-研究问题、定位与边界.md`
+  - 研究对象、工业场景、核心假设和结论边界
+- `10-研究框架/00-整体研究框架.md`
+  - 大小脑架构、三层时间模型与研究主线
+- `10-研究框架/01-大小脑时间契约与跨域通信.md`
+  - 命令语义、结果新鲜度、有界 IPC 和时序约束
+- `10-研究框架/02-Hypervisor隔离、故障与降级.md`
+  - CPU、内存、中断、DMA、热干扰和故障恢复
+- `20-实验与规划/01-实验设计.md`
+  - 对照组、压力场景、故障注入和实施顺序
+- `20-实验与规划/02-指标与证据.md`
+  - 控制实时性、大脑结果可用性和系统代价指标
+
+## 推荐阅读顺序
+
+1. `00-项目总览/01-研究问题、定位与边界.md`
+2. `10-研究框架/00-整体研究框架.md`
+3. `10-研究框架/01-大小脑时间契约与跨域通信.md`
+4. `10-研究框架/02-Hypervisor隔离、故障与降级.md`
+5. `20-实验与规划/01-实验设计.md`
+6. `20-实验与规划/02-指标与证据.md`
+
+## 推荐课题名称
+
+> **面向机器人大小脑异构系统的分域实时保障与安全协同机制研究**