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2.3 操作系統(tǒng)內(nèi)核
2.3 操作系統(tǒng)內(nèi)核
2.3.1 操作系統(tǒng)內(nèi)核技術架構
1. 簡要架構
在車輛動力電子，底盤電子和車身電子等實時控制功能實現(xiàn)當中，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），這類芯片資源配置較低，硬件上沒有為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供復雜的內(nèi)存管理和特權級別的隔離功能，因此會采用一種簡要的操作系統(tǒng)內(nèi)核結構設計。在簡要結構設計當中，內(nèi)核服務與應用程序會被放置在同一地址空間，應用程序無需切換地址空間和權限層級就能夠直接調(diào)用內(nèi)核服務，具有高效的優(yōu)勢，有利于實時業(yè)務的實現(xiàn)。但相對于后面提到的宏內(nèi)核和微內(nèi)核架構設計，簡要架構系統(tǒng)缺乏內(nèi)核隔離保護能力，任何一個模塊（無論是應用還是內(nèi)核服務）出現(xiàn)問題都可能導致系統(tǒng)崩潰。
出于硬件成本和實時性的綜合考慮，汽車領域中許多基于 AUTOSAR CP 的安全車控嵌入式實時系統(tǒng)都采用了簡要架構設計。其他領域類似的簡要架構系統(tǒng)還有 uC/OS II，F(xiàn)reeRTOS。
2. 宏內(nèi)核架構
宏內(nèi)核（Monolithic Kernel）架構在計算機和通信領域是應用最為廣泛的一類操作系統(tǒng)架構，其相關產(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），服務器系統(tǒng)（如 Unix，Linux）和主流手機操作系統(tǒng)（Android，iOS）均是基于宏內(nèi)核架構。宏內(nèi)核架構操作系統(tǒng)在智能駕駛和智能座艙領域也有大量應用。宏內(nèi)核的特點是將所有傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)服務（例如進程調(diào)度，內(nèi)存 管理，文件系統(tǒng)和設備驅(qū)動）全部運行在內(nèi)核態(tài)，能夠直接操控硬件，系統(tǒng)服務間的內(nèi)部調(diào)用效率相對較高。在硬件能力的支撐下，宏內(nèi)核可以實現(xiàn)用戶程序和內(nèi)核的安全隔離保護，采用合適的進程調(diào)度機制（優(yōu) 先級搶占式）時也能夠滿足車用領域的硬實時性任務要求，并能支持虛擬化等新技術來滿足汽車 E/E 架構向集中式架構演進的需求。
但是應該看到，由于面向通用業(yè)務而設計，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)達到了 3220 萬代碼行的規(guī)模，且可能會持續(xù)增長，在車用領域這不僅意味著軟件復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 以上的安全認證。
為了應對這些問題，宏內(nèi)核架構的操作系統(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雜度。
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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）機制。例如將大部分設備驅(qū)動與內(nèi)核其他功能解耦。
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抽象：對內(nèi)核服務進行抽象以提高可維護性、降低復雜度。例如 Linux 將所有的數(shù)據(jù)，設備和內(nèi)核都抽象成文件，對應用層提供統(tǒng)一接口。
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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)的分層結構。
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層級：對于內(nèi)核的資源管理引入層級的概念，如進程調(diào)度優(yōu)先級的分類等。
- 下一篇：3. 微內(nèi)核架構
- 上一篇：AUTOSAR AP
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