第 1 章 Linux 与 Ubuntu 系统地图¶
机器人上位机的操作系统几乎清一色是 Ubuntu。装完系统、进入桌面就开始干活之前，有几张底图必须先画清楚：Linux 是内核而不是操作系统；Ubuntu 的发行版号与内核号分两条编号线；用户态程序进内核的唯一常规入口是系统调用；目录不是随便分的，FHS 约束每个顶层目录的语义；版本自查有三把各管一段的尺子；终端本身也是一类设备。这张地图决定后续排障能不能定位到具体一层——"网络不通"是内核路由还是 userspace NetworkManager、"GUI 起不来"是驱动还是显示服务器、"服务起不来"是配置还是终端环境，都要求先把这几层分开看。
1. Linux 是内核，不是操作系统¶
严格意义上 "Linux" 只指 Linus Torvalds 1991 年发起维护的内核（kernel），它负责进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动与系统调用（system call，用户态进入内核态的唯一常规入口）。
一个可被日常使用的操作系统还需要一整套用户态组件：C 标准库（glibc 或 musl）、核心工具集（GNU coreutils，ls / cp / cat 这类）、Shell（Bash、Dash）、初始化系统（systemd）、包管理器（apt / dpkg）、桌面与图形栈（X.Org 或 Wayland、GNOME）等。这些组件大多来自 GNU 项目，所以严格称 "GNU/Linux"。
发行版（distribution，distro）做的是"组装与集成"：挑选一组用户态组件、绑定一个内核版本、按目标场景调整默认配置、提供持续更新的包仓库。Debian、Ubuntu、Fedora、Arch 都是发行版；它们共用同一个 Linux 内核主线，差别在用户态组件与运维策略。
Ubuntu 的层级关系：
| 层 | 组件 | 由谁维护 |
|---|---|---|
| 内核 | Linux kernel | 上游 Linus 树 + Canonical 补丁（linux-* 系列包） |
| 系统库 | glibc、OpenSSL、libstdc++ | Debian 上游 + Canonical 打包 |
| 初始化与服务 | systemd | systemd 项目 + Canonical 默认配置 |
| 包管理 | apt / dpkg | Debian 项目（Ubuntu 沿用） |
| 桌面环境 | GNOME / KDE 等 | 上游项目 + Ubuntu 默认 GNOME |
| 安装器与云镜像 | subiquity / cloud-init | Canonical |
Canonical（Ubuntu 的商业母公司）从 Debian 拉取上游、按 LTS 冻结包版本并回迁安全补丁（backport），再发布桌面版、服务器版、Core、Cloud Image 等多种形态。这解释了一个常见现象：LTS 冻结的是包版本，不是安全边界——同一个包名在 22.04 与 24.04 上的版本可能差着两三代上游。
内核、用户态与发行版的分层关系：
flowchart TB
distro["发行版：挑选用户态组件 + 绑定内核 + 提供包仓库"]
subgraph user["用户态（GNU 系组件为主）"]
libc["C 标准库 glibc"]
core["GNU coreutils"]
init["systemd"]
pkg["apt / dpkg"]
gui["X.Org / Wayland + GNOME"]
end
kernel["Linux 内核<br/>调度 / 内存 / 驱动 / 系统调用"]
hw[("硬件")]
distro --> user
user -->|"系统调用：唯一常规入口"| kernel
kernel --> hw2. Ubuntu 版本编号与内核策略¶
Ubuntu 的"版本"是两套独立编号在同时走：发行版号与内核号。混谈这两条线会导致大量"明明 Ubuntu 一样、行为却不同"的困惑。
2.1 发行版：数字版本 + 字母代号¶
发行版每半年发布一次，命名规则 YY.MM：2022 年 4 月即 22.04、2024 年 10 月即 24.10。每个版本还配一个"形容词 + 动物"代号，首字母按 a→b→c 递增：
- 22.04 Jammy Jellyfish（LTS）
- 24.04 Noble Numbat（LTS）
- 24.10 Oracular Oriole
- 25.04 Plucky Puffin（本板块基线外）
LTS（Long Term Support）每两年 4 月发布一次，桌面侧默认支持 5 年、服务器侧通过 Ubuntu Pro 可延至 10 年。本板块以 22.04 LTS（jammy）为主基线、24.04 LTS（noble）为对照基线，与 ROS 2 Humble、Jazzy 两个 LTS 配对同步。
2.2 GA 内核与 HWE 内核¶
同一 Ubuntu 版本可以换内核，这是理解"uname -r 与发行版号不一一对应"的关键：
- GA 内核（General Availability）：随该版本发布时锁定的内核版本，整个支持周期只打安全补丁、不升特性。
- HWE 内核（Hardware Enablement）：每半年从更新的 Ubuntu 版本 backport 一份内核，用于新硬件（GPU、网卡、笔记本平台）开箱可用。
| Ubuntu | GA 内核 | HWE 内核滚动范围 |
|---|---|---|
| 22.04 | 5.15 | 5.17 → 5.19 → 6.2 → 6.5 → 6.8（终点即 24.04 GA） |
| 24.04 | 6.8 | 6.11（滚动至 24.10 GA） |
linux-image-generic 装 GA、linux-image-generic-hwe-22.04 装 HWE。双基线纪律在正文里意味着：写任何与内核版本相关的结论（PREEMPT_RT 支持、eBPF BTF 可用性、SocketCAN 行为）都要同时注明 Ubuntu 版本与 uname -r 输出，只写"22.04"不够。
2.3 内核变体包¶
Ubuntu 的内核包不止一个：
| 包名 | 语义 | 与本板块的关系 |
|---|---|---|
linux-image-generic |
GA 通用内核 | 默认安装 |
linux-image-generic-hwe-22.04 |
HWE 通用内核 | 桌面版默认拉取 |
linux-image-lowlatency |
低延迟调度、非硬实时 | 「实时内核与 CPU 调优」章前对照 |
linux-image-rt / linux-image-rt-generic |
PREEMPT_RT 补丁版 | 22.04 起该变体的厂商支持形态属外部证据，未核实前只写机制不写安装路径 |
坑：发行版号和内核号是两条编号线
Ubuntu 22.04 说的是发行版，5.15 说的是内核；HWE 线还能让 22.04 跑更新的内核。查问题前先分清要查的是哪一条编号。
3. 用户态与内核态的分界¶
Linux 通过 CPU 的特权级（x86 上 ring 3 与 ring 0）把内存与指令划成两个世界：
- 用户态：应用程序、Shell、systemd、Python、ROS 2 节点、apt 进程都在这里。
- 内核态：内核代码、中断服务、调度器、虚拟文件系统层（VFS）与 dentry 缓存。
用户态程序进内核的唯一常规入口是系统调用（syscall 指令触发；read / write / openat / execve 都是）。异常与中断也会陷入内核，但那不是程序主动发起。C 标准库的 read(2) 一类 POSIX API 只是 syscall 的薄封装——观察一个程序"在跟内核要什么"，最直接的手段就是追 syscall。
## 用 strace 记录 `ls /tmp` 到底向内核请求了什么（-c 只汇总调用次数）
strace -c ls /tmp
Ubuntu 22.04（内核 5.15）上典型输出片段（/tmp 内容不同会影响 getdents64 次数，重点是类别与 errors 计数）：
% time seconds usecs/call calls errors syscall
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
44.43 0.000319 106 3 getdents64 # 批量读目录项
15.32 0.000110 2 43 36 openat # 试开共享库与目录，多数 miss
13.09 0.000094 4 19 mmap # 建立进程地址空间与映射共享库
9.19 0.000066 1 38 27 newfstatat # 逐文件取元信息
2.65 0.000019 3 5 read # 从文件系统读
1.39 0.000010 1 6 write # 输出到 stdout
0.14 0.000001 1 1 execve # 装载 ls ELF
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
100.00 0.000718 4 155 70 total
155 次调用里 70 次带 error——openat 与 newfstatat 的高命中率 miss 就是动态链接器 ld.so 逐目录探索共享库的痕迹（/etc/ld.so.cache 未命中时回退到默认目录逐一尝试）。一行 ls 尚且要 155 次 syscall，一个 ROS 2 节点的每次收发、每帧图像落盘都跑在这条链上。
控制回路的实时性抖动往往就出在这里：用户态一次 malloc 触发缺页（page fault 走内核态）、printf 走 write 阻塞在磁盘、序列化分配大 buffer 被 OOM killer 干掉——能读 strace 与 /proc/<pid>/smaps，才能把"抖"定位到具体的用户态调用。strace 本身在第 3 章「调试三条切入线」再展开；mlockall、CPU 亲和性与优先级这条链在第 7 章补完。
4. 文件系统布局与 FHS¶
Linux 的目录树不是随便分的。FHS（Filesystem Hierarchy Standard，现行 3.0）约束每个顶层目录承担什么、哪些可只读挂载、哪些可跨主机共享、哪些重启必须清空。Ubuntu 是 FHS 的合规实现；下表按机器人上位机的实际用途整理：
| 目录 | 语义 | 机器人上位机场景 |
|---|---|---|
/usr |
主机间可共享、可只读；含绝大部分二进制与库 | 系统升级与回滚的操作对象；/usr/bin/python3 在这里 |
/bin /sbin |
Ubuntu 18.04 起是 /usr/bin /usr/sbin 的软链（usrmerge） |
老脚本里的 /bin/bash 实际解析到 /usr/bin/bash |
/etc |
主机特定配置，不放二进制 | .service 单元（/etc/systemd/system/）、udev rules、apt 源、sshd_config |
/var |
可变数据；跨主机不可共享 | 日志（/var/log）、apt 缓存、rosbag 落盘、模型权重 |
/opt |
第三方包独立安装 | Jetson SDK Manager 与商业软件常落这里 |
/dev |
设备节点（字符 / 块设备）；tmpfs，重启重建 | /dev/ttyUSB0 /dev/video0 /dev/can0；权限在第 4 章、生成规则在第 9 章 |
/proc |
procfs，内核视图，不占磁盘；进程与内核参数 | /proc/<pid>/status /proc/interrupts /proc/version；观测入口在第 8 章 |
/sys |
sysfs，内核对象树；设备驱动与属性 | /sys/bus/usb/devices/ /sys/class/net/；udev 规则基于这里 |
/run |
运行时数据，tmpfs，重启清空 | systemd socket、PID 文件、/run/user/<uid> |
/tmp |
临时文件，可被 systemd-tmpfiles 定期清理 |
不放长期 bag 与模型；重启或几天后可能消失 |
/home |
用户数据 | 用户级 .bashrc、.vimrc、conda 环境目录 |
三条常见误判：
/tmp当万能临时区：systemd-tmpfiles-clean.timer默认十天未访问的文件会被清；长期数据放/var/tmp或/var/lib更稳。/var/log永远不占地方：journal 与 syslog 在无人维护时会写满磁盘（第 10 章的journalctl --vacuum与 logrotate 处理这条）。/etc改了立刻生效：systemd 需要daemon-reload、NetworkManager 需要reload、udev rules 需要udevadm control --reload——每一处都有自己的生效动作，第 4、6、9 章各自说明。
5. 版本自查的三把尺子¶
现场问"这台机器什么版本"，不同命令回答的是不同的问题：内核、发行版、编译信息各在一处。
## 三把尺子各查各的：
uname -r # 内核版本与架构（不查发行版）
lsb_release -a # 发行版全称与代号（依赖 lsb-release 包）
cat /etc/os-release # 标准化字段（systemd 提供，最稳）
uname -a回答内核本身。输出Linux <hostname> 5.15.0-119-generic #129-Ubuntu SMP ... x86_64：5.15.0是主线内核、-119是 Ubuntu 打的补丁序号、generic是内核变体（对到 GA / HWE /-rt）。查是不是-rt或-lowlatency都靠这里。lsb_release -a回答发行版：Distributor / Description / Release / Codename 四项。精简系统（Docker 镜像、板端最小 rootfs）常常没装lsb-release，命令直接not found；此时退回/etc/os-release。/etc/os-release是 systemd 定义的标准文件（systemd.os-release(5)），字段稳定、脚本可 source：
## 直接 source 到当前 shell，读标准化变量
. /etc/os-release
echo "$ID $VERSION_ID $VERSION_CODENAME"
## 输出：ubuntu 22.04 jammy
判据：排障要一次问三处。只 lsb_release 会漏内核变体，只 uname 会漏发行版代号，只 os-release 看不到 PREEMPT_RT 补丁标记。CI 脚本与工单模板里三行都要贴。
判据：三把尺子各查一段
lsb_release//etc/os-release 查发行版，uname -r 查运行内核，apt list --installed 'linux-image*' 查装了哪些内核——三段合起来才是一次完整自查。
6. tty、pts 与终端环境¶
Linux 把"终端"也当成设备，出现在 /dev 下。机器人上位机经常无显示器、SSH 进来干活、tmux 会话里跑脚本——搞清楚自己在哪种终端上，能解释不少"为什么这个命令在这里行为不一样"。
- tty（teletype）：最初指物理电传机；内核把虚拟控制台与物理串口都归一为 tty 设备。虚拟控制台是
/dev/tty1…/dev/tty6（Alt+F1…F6 切换），物理串口是/dev/ttyS0（主板 COM）、/dev/ttyAMA0（ARM 板载）、/dev/ttyUSB0（USB 转串口，第 9 章）。 - pts（pseudo-terminal slave）：伪终端，成对出现——一个 master 在内核侧（由
sshd/xterm/tmux持有），一个 slave 是用户 shell 打开的/dev/pts/N。SSH 登录后拿到的不是物理 tty 而是 pts；容器里docker exec -it也是 pts。 $TERM：告诉 TUI 程序当前终端能力（xterm-256color/screen-256color/tmux-256color）。程序据此查 terminfo 数据库决定怎么画颜色、光标移动；CI 环境常见TERM=dumb。
现场查一行搞定：
tty # 当前 stdin 绑到的终端设备：/dev/pts/2 或 /dev/tty1
echo "$TERM" # 终端类型字符串
loginctl session-status # 当前登录会话：tty / x11 / wayland / ssh
systemd 用 getty@.service 与 serial-getty@.service 模板在每个 tty 上拉起登录提示；板端无显示器时关掉不需要的 tty、只在串口或 SSH 上留一个入口，是常见部署动作（第 10 章 systemd 部署范式）。
7. 要点¶
- "Linux 是内核不是操作系统"——真正在跑的 Ubuntu 由内核 + 系统库 + 服务层 + 应用层若干层组合而成，每层由不同上游维护；出问题时先问"落在哪一层"再谈具体工具。
- 发行版号与内核号是两条线：22.04 GA 内核 5.15、HWE 内核可滚到 6.8；同名 Ubuntu 下不同机器可能跑不同内核，写结论必须两处都注明。
- 用户态进内核走系统调用：
strace是能读的最小窗口；能把"服务抖一下"定位到mmap缺页或write阻塞，才谈得上第 7 章实时调优与第 8 章观测工具链。 - FHS 约束目录语义：
/usr可只读、/etc主机特定、/var可变但会写满、/dev重启重建、/proc/sys不占磁盘、/tmp会被systemd-tmpfiles清；长期 bag 不放/tmp。 - 版本自查三把尺子：
uname -a（内核与变体）、lsb_release -a（发行版）、/etc/os-release（标准化字段）各查各的；排障一次贴三处。 - 终端也是设备：tty（物理与虚拟控制台）与 pts（SSH / 容器）不是一回事，
$TERM决定 TUI 行为；无显示器部署要在 systemd getty 模板层做减法。