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婁底開鎖公司解析：汽車電傳電控系統中的實時系統和分時系統
發表日期：2021-06-14 文章編輯：速達鎖城 瀏覽次數:
最近特斯拉比較火，刷屏熱度始終不減，各路人馬各種猜測，特斯拉數據不出來不對，出來也不對，汽車安全再一次成為關注焦點。
在今天的汽車上，和傳統汽車相比，安全的意義不再一樣了，可能是很多一線售后技術兄弟們未曾了解的一個領域，借著特斯拉的熱度，來和大家聊一下汽車安全的軟硬件，希望拋磚引玉，僅供大家參考。
說一下：很多內容引用自公開資料，大家有興趣，可以自行對感興趣的知識點搜狗搜索學習。
小編
傳統汽車的控制單元軟件，有聽說過死機么？
答案是否定的，沒有。
可能有人會說，奧迪的MMI系統會宕機，加裝的360環視導航會死機，這些其實都是屬于車機范疇，他們死機了，并不影響車輛安全。
一、車規級芯片
制造手機芯片和汽車芯片，哪個難度更大?知乎上有過類似問題的回答，大概意思概括下：手機芯片，天下武功唯快不破；汽車芯片，穩定壓倒一切。
汽車搭載的車規級芯片,與手機電腦搭載的消費級芯片，兩者差異不是在簡單的制程和核心數量上。
車規級芯片要過三道技術關
第一道關是環境關。
相比手機，汽車的工作環境要惡劣百倍。行駛時不僅會遭遇更多的振動和沖擊，還可能要面對各種液體或粉塵的侵蝕，甚至就連溫度條件也頗為極端。
比如車規級芯片要承受的溫度范圍一般在-40°C-150°C之間，而消費級芯片只需滿足0°C~70°C工作環境即可。
第二道關是壽命關。
手機作為消費品，生命周期一般不會超過5年，而汽車作為大宗商品，使用壽命往往在15年、或者駕駛20萬公里左右，這不僅要求車規級芯片要有足夠長的壽命，還要求它能在未來15年內都能滿足汽車行駛的基本訴求。
第三道關，也是最重要的一道關，是安全關。
手機玩游戲時死機，頂多是被隊友罵兩句，但汽車如果開在路上，芯片崩了，那可能就要出人命了。
用更直觀的數據來說，手機芯片可接受的不良率是萬分之二，汽車芯片的不良率則不能高于百萬分之一。
二、系統區別
為了進一步能夠讓大家理解汽車上控制單元操作系統和消費電子產品操作系統區別，將一些公開的資料匯總整理如下：
實時操作系統 實時操作系統
英文稱Real Time Operating System，簡稱RTOS。
1.實時操作系統定義
實時操作系統（RTOS）是指當外界事件或數據產生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規定的時間之內來控制生產過程或對處理系統作出快速響應，并控制所有實時任務協調一致運行的操作系統。因而，提供及時響應和高可靠性是其主要特點。實時操作系統有硬實時和軟實時之分，硬實時要求在規定的時間內必須完成操作，這是在操作系統設計時保證的；軟實時則只要按照任務的優先級，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統在經過一定改變之后就可以變成實時操作系統。
實時操作系統是保證在一定時間限制內完成特定功能的操作系統。例如，可以為確保生產線上的機器人能獲取某個物體而設計一個操作系統。在“硬”實時操作系統中，如果不能在允許時間內完成使物體可達的計算，操作系統將因錯誤結束。在“軟”實時操作系統中，生產線仍然能繼續工作，但產品的輸出會因產品不能在允許時間內到達而減慢，這使機器人有短暫的不生產現象。一些實時操作系統是為特定的應用設計的，另一些是通用的。一些通用目的的操作系統稱自己為實時操作系統。但某種程度上，大部分通用目的的操作系統，如微軟的Windows NT或IBM的OS/390有實時系統的特征。這就是說，即使一個操作系統不是嚴格的實時系統，它們也能解決一部分實時應用問題。
2.實時操作系統的特征
1）多任務；
2）有線程優先級
3）多種中斷級別
小的嵌入式操作系統經常需要實時操作系統，內核要滿足實時操作系統的要求。
3.實時操作系統的相關概念
?。?）基本概念
代碼臨界段：指處理時不可分割的代碼。一旦這部分代碼開始執行則不允許中斷打入；
資源：任何為任務所占用的實體；
共享資源：可以被一個以上任務使用的資源；
任務：也稱作一個線程，是一個簡單的程序。每個任務被賦予一定的優先級，有它自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。典型地，每個任務都是一個無限的循環，每個任務都處在以下五個狀態下：休眠態，就緒態，運行態，掛起態，被中斷態；
任務切換：將正在運行任務的當前狀態（CPU寄存器中的全部內容）保存在任務自己的棧區，然后把下一個將要運行的任務的當前狀態從該任務的棧中重新裝入CPU的寄存器，并開始下一個任務的運行；
內核：負責管理各個任務，為每個任務分配CPU時間，并負責任務之間通訊。分為不可剝奪型內核于可剝奪型內核；
調度：內核的主要職責之一，決定輪到哪個任務運行。一般基于優先級調度法；
?。?）關于優先級的問題
任務優先級：分為優先級不可改變的靜態優先級和優先級可改變的動態優先級；
優先級反轉：優先級反轉問題是實時系統中出現最多的問題。共享資源的分配可導致優先級低的任務先運行，優先級高的任務后運行。解決的辦法是使用“優先級繼承”算法來臨時改變任務優先級，以遏制優先級反轉。
?。?）互斥
雖然共享數據區簡化了任務之間的信息交換，但是必須保證每個任務在處理共享共享數據時的排他性。使之滿足互斥條件的一般方法有：關中斷，使用測試并置位指令（TAS），禁止做任務切換，利用信號量。
因為采用實時操作系統的意義就在于能夠及時處理各種突發的事件，即處理各種中斷，因而衡量嵌入式實時操作系統的最主要、最具有代表性的性能指標參數無疑應該是中斷響應時間了。中斷響應時間通常被定義為：
中斷響應時間=中斷延遲時間+保存CPU狀態的時間+該內核的ISR進入函數的執行時間[2]。
中斷延遲時間=MAX(關中斷的最長時間，最長指令時間) + 開始執行ISR的第一條指令的時間[2]。
分時操作系統 【詞語】：分時操作系統
【注音】：fēn shí cāo zuò xì tǒng
【英文】：Time-sharing Operating System
【釋義】：使一臺計算機同時為幾個、幾十個甚至幾百個用戶服務的一種操作系統。把計算機與許多終端用戶連接起來，分時操作系統將系統處理機時間與內存空間按一定的時間間隔，輪流地切換給各終端用戶的程序使用。由于時間間隔很短，每個用戶的感覺就像他獨占計算機一樣。分時操作系統的特點是可有效增加資源的使用率。例如UNIX系統就采用剝奪式動態優先的CPU調度，有力地支持分時操作。
產生分時系統是為了滿足用戶需求所形成的一種新型 OS 。它與多道批處理系統之間，有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表現在以下幾個方面: 人—機交互 共享主機 便于用戶上機
分時系統的基本思想
時間片 ：是把計算機的系統資源（尤其是 CPU時間）進行時間上的分割，每個時間段稱為一個時間片，每個用戶依次輪流使用時間片。
分時技術：把處理機的運行時間分為很短的時間片，按時間片輪流把處理機分給各聯機作業使用。
分時操作系統：是一種聯機的多用戶交互式的操作系統。一般采用時間片輪轉的方式使一臺計算機為多個終端服務。對每個用戶能保證足夠快的響應時間，并提供交互會話能力。
設計目標：對用戶的請求及時響應，并在可能條件下盡量提高系統資源的利用率。
適合辦公自動化、教學及事務處理等要求人機會話的場合。
工作方式:
一臺主機連接了若干個終端；每個終端有一個用戶在使用；交互式地向系統提出命令請求；系統接受每個用戶的命令；采用時間片輪轉方式處理服務請求；并通過交互方式在終端上向用戶顯示結果；用戶根據上步結果發出下道命令
分時系統實現中的關鍵問題：及時接收。及時處理。
特征：
交互性：用戶與系統進行人機對話。
多路性：多用戶同時在各自終端上使用同一CPU。
獨立性：用戶可彼此獨立操作，互不干擾，互不混淆。
及時性：用戶在短時間內可得到系統的及時回答。
影響響應時間的因素：終端數目多少、時間片的大小、信息交換量、信息交換速度。
我們上面說了這么多，簡單總結下就是：
支持芯片工作的系統分為兩種：分時系統和實時系統，在市面上絕大多數汽車都是采用的實時系統，并且與各類專用芯片配套定制開發優化。
我們用的蘋果手機，安卓手機，筆記本，平板電腦，PC電腦，這些統統采用的都是分時系統。
而我們用的這些消費級電子產品，有誰沒經歷過死機？舉手報到一下。
三、汽車采用分時系統的弊病/死穴
套用業內人士的話來說，就是拿消費級電子產品零件開發汽車控制系統，不強調安全穩定，只是一味的追求算力水平。
如果上面說的太繞了，可以再簡化一下就是，分時系統把CPU芯片的時間劃分成若干個時間片段，我們可以稱為“時間片”。操作系統可以以時間片為單位，輪流為每一個進程/指令進行運算處理，一個系統當中，可能會同時存在很多進程，每個進程都會有處理需求，芯片就是在分時系統的控制下，輪流為每一個進程/指令來輪流處理信息，當進程需要的算力多、優先級高的時候，芯片分時系統分給這個進程的運算時間就多一點。這個分配規則就會導致一種情況，我們玩游戲玩著正嗨的時候卡主了，處理大型WORD文件的時候，鼠標轉圈圈，不聽使喚了，我們叫做死機，這個時候我們只能耐心等待，運氣好，電腦過一會會反應過來，運氣不好，只能強行關機重啟。在出現這種情況的時候，如果是筆記本電腦，我們調用任務處理器查看進程，可能就會發現有的進程達到了100%，而且導致你的電腦風扇狂轉散熱，因為這個時候你的CPU算力都被這個進程占用了，因此出現這一情況。
還是用通俗易懂的方式來和大家說下實時系統，實時系統的操作管理控制邏輯和分時系統剛剛是相反的。
上面我們也說了，實時系統首先保證的是響應效率，CPU芯片運算結果的正確性不僅僅是和程序邏輯性相關，還和運算結果產生的時間有關?？刂葡到y能不能及時響應外部時間的請求，在規定時間內完成對特定事件的處理，并且有效控制所有實時任務能夠協調一致的有序運行，這就是實時系統需要做的事情，再簡化一下就是，必須對進程/指令在一定時間內完成，且保證運算結果的正確及時輸出，進而完成外部設備工作控制。高速行駛的汽車，對所有輸入/輸出反應都有強制的時間需要，滿足不了這一個時間規定，你踩剎車了，他系統死機了和分時系統一樣卡主了鼠標在轉圈這樣的情況出現了，等系統反應過來，汽車恐怕已經在幾百米開外了。
汽車A類安全系統，在設計之初就有強制要求，必須滿足規定的時間相應限制要求，不能滿足相應時間，就無法保證安全和可靠。
四、車輛核心系統和分布式系統
傳統汽車通常都是多個系統通過總線進行連接通訊，組成的一個分布式系統，例如ABS系統負責剎車和ESP等相關功能；空氣懸掛電腦只是負責底盤懸架穩定性主要功能，并通過數據交換和動力總線上的控制單元分享信息，也接收指令，進而實現行車穩定性和舒適性控制；發動機控制單元負責發動機運行；部分數據共享給動力總線其他用戶，用于驅動防滑，驅動扭矩控制，變速器匹配等動力控制；變速器負責驅動車輛行駛，通過總線和發動機系統協同工作......
每一個控制單元都有一個自己的系統，他們各司其職，只是通過網關和總線系統相互交換數據，進行協同工作，這種就是分布式系統，分布式系統具有自愈功能，什么意思呢？就是識別到總線系統其他控制單元提供的錯誤的數據給自己后，自己可以進行判斷，不再采納錯誤的第三方信息，直接通過信息控制輸出報警，然后用自己內部邏輯程序控制系統進入應急工作模式，保證了基本功能的可靠穩定運行。
新能源車出來之后，有了另外的一種玩法，叫核心系統，這個系統管理車輛的所有控制系統，也就是說，車上系統有一個大腦，是領導核心，其他系統都要聽他分配，這種設計是希望通過一臺擁有強大算力的核心運算操作系統來支持整車所有系統工作，提升整車以往分布式系統的高成本的研發制造性價比，同時也簡化其他系統開發制造成本。
五、汽車系統之戰
目前奔馳、寶馬、奧迪、保時捷、賓利、法拉利等歐系車、別克、雪佛蘭等美系車、豐田等日系車、小鵬P7國產電動車等等大部分乘用車，還有很多商用卡車比如斯堪尼亞等，用的都是實時系統，在實時系統領域，做的厲害的有黑莓的QNX系統，這是一個專為汽車控制單元開發的底層操作系統，與車規級芯片在設計研發初始階段就進行了完美適配，最大限度的提高了可靠性，單凡是采用實時系統的都一定是專業技術領域。
傳統汽車電傳線控換擋技術應用多年，除了機械/物理故障，極少發生過控制失靈的情況，因為這些車用的都是實時系統。
飛機上也是最早采用電傳電控系統的交通工具，飛機用的控制系統也是實時系統，沒聽說過飛機控制失靈吧？當然，硬件機械故障和物理損壞除外。
六、敲一下黑板-特斯拉
很少有人研究過特斯拉的控制芯片和應用程序乃至操作系統，特斯拉芯片部分是自研芯片，車規級芯片有幾顆？
特斯拉中控車載核心系統是Linux作為內核的系統，怎么改，都無法改變他是分時系統的事實。
既然他是分時系統，那么他就無法完全避免和繞開上面提到的問題。
這一切，留給國家專業權威部門來鑒定，留給時間來驗證吧。