2.3  操作系統(tǒng)內(nèi)核

2.3.1  操作系統(tǒng)內(nèi)核技術(shù)架構(gòu)

1.  簡要架構(gòu)

在車輛動力電子，底盤電子和車身電子等實(shí)時控制功能實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，經(jīng)常會使用到一些功能相對簡單的微控制單元（MCU）芯片（如單片機(jī)），這類芯片資源配置較低，硬件上沒有為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供復(fù)雜的內(nèi)存管理和特權(quán)級別的隔離功能，因此會采用一種簡要的操作系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)設(shè)計。在簡要結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，內(nèi)核服務(wù)與應(yīng)用程序會被放置在同一地址空間，應(yīng)用程序無需切換地址空間和權(quán)限層級就能夠直接調(diào)用內(nèi)核服務(wù)，具有高效的優(yōu)勢，有利于實(shí)時業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。但相對于后面提到的宏內(nèi)核和微內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計，簡要架構(gòu)系統(tǒng)缺乏內(nèi)核隔離保護(hù)能力，任何一個模塊（無論是應(yīng)用還是內(nèi)核服務(wù)）出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

出于硬件成本和實(shí)時性的綜合考慮，汽車領(lǐng)域中許多基于 AUTOSAR CP 的安全車控嵌入式實(shí)時系統(tǒng)都采用了簡要架構(gòu)設(shè)計。其他領(lǐng)域類似的簡要架構(gòu)系統(tǒng)還有 uC/OS II，F(xiàn)reeRTOS。

2.  宏內(nèi)核架構(gòu)

宏內(nèi)核（Monolithic Kernel）架構(gòu)在計算機(jī)和通信領(lǐng)域是應(yīng)用最為廣泛的一類操作系統(tǒng)架構(gòu)，其相關(guān)產(chǎn)品的生態(tài)也最為完善，目前常見的桌面系統(tǒng)（如 Windows，MacOS，Linux 桌面發(fā)行版），服務(wù)器系統(tǒng)（如 Unix，Linux）和主流手機(jī)操作系統(tǒng)（Android，iOS）均是基于宏內(nèi)核架構(gòu)。宏內(nèi)核架構(gòu)操作系統(tǒng)在智能駕駛和智能座艙領(lǐng)域也有大量應(yīng)用。宏內(nèi)核的特點(diǎn)是將所有傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)服務(wù)（例如進(jìn)程調(diào)度，內(nèi)存 管理，文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動）全部運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，能夠直接操控硬件，系統(tǒng)服務(wù)間的內(nèi)部調(diào)用效率相對較高。在硬件能力的支撐下，宏內(nèi)核可以實(shí)現(xiàn)用戶程序和內(nèi)核的安全隔離保護(hù)，采用合適的進(jìn)程調(diào)度機(jī)制（優(yōu) 先級搶占式）時也能夠滿足車用領(lǐng)域的硬實(shí)時性任務(wù)要求，并能支持虛擬化等新技術(shù)來滿足汽車 E/E 架構(gòu)向集中式架構(gòu)演進(jìn)的需求。

但是應(yīng)該看到，由于面向通用業(yè)務(wù)而設(shè)計，隨著宏內(nèi)核功能的豐富，其代碼量也會變得越來越龐大， 以 Linux 內(nèi)核為例，2021 年底其內(nèi)核已經(jīng)達(dá)到了 3220 萬代碼行的規(guī)模，且可能會持續(xù)增長，在車用領(lǐng)域這不僅意味著軟件復(fù)雜度和硬件成本的增加，也意味著更高的信息安全和功能安全挑戰(zhàn)。目前，業(yè)界還未看到基于宏內(nèi)核的操作系統(tǒng)產(chǎn)品通過功能安全 ASIL-B 以上的安全認(rèn)證。

為了應(yīng)對這些問題，宏內(nèi)核架構(gòu)的操作系統(tǒng)也采用了模塊化，抽象，分層，層級等方法來控制其不斷增長的復(fù)雜度。

• 模塊化：內(nèi)核通過模塊化的策略來組織功能，提供可加載內(nèi)核模塊（LKM）機(jī)制。例如將大部分設(shè)備驅(qū)動與內(nèi)核其他功能解耦。

• 抽象：對內(nèi)核服務(wù)進(jìn)行抽象以提高可維護(hù)性、降低復(fù)雜度。例如 Linux 將所有的數(shù)據(jù)，設(shè)備和內(nèi)核都抽象成文件，對應(yīng)用層提供統(tǒng)一接口。

• 分層：將邏輯上或功能上相近的模塊分層，以便更好地組織功能。例如 Linux 文件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)。

• 層級：對于內(nèi)核的資源管理引入層級的概念，如進(jìn)程調(diào)度優(yōu)先級的分類等。