自动驾驶背后的“大脑”——实时操作系统详解

智能车情报局 · 公众号 · · 2024-04-07 10:51

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首先需要我们思考的是， 什么样的情况下，我们才需要实时系统。

资源，还是资源

这里我要以我的亲身经历来举例，刚来自动驾驶公司的时候，为了调试方便，直接拿了一台服务器放到车上做实验。一段时间之后，问题来了，有人分析了一个接管的问题，说是由于任务不能实时调度，导致车辆出现问题了。乍听起来好像挺有道理的，于是我决定一探究竟，上车，启动软件，分析服务器的性能问题，测试完成之后，我很震惊的回到了工位，久久不能平静。

大家都知道自动驾驶有定位、感知、规划、控制等几个模块，算上其它任务，充其量不过十几个线程，而问题在于车上服务器的核心算上超线程有30多个，也就是说， 即使一个任务一个核心也是足够的 ，还有十几个核心可以划水，事实也是如此车上的CPU占用率还不到20%，因此当听到有人说调度不及时的时候我是惊讶的。

真实情况如何呢

当然真实情况下，linux确实可能出现上述问题，这个我们后面再分析。但我想表达的是，如果一个系统负载非常低，只要操作得当，是不会有实时性问题的，例如一个快递工厂，有5个工人，每次只来3个包裹，那么明显这些包裹都可以及时处理，不会出现延误。

当然在人手紧张的情况下，有10个包裹，但是只有5个工人，假设现在新来了一个包裹，而且这个包裹的优先级很高，要及时送走，这时候就需要考虑实时性问题了。也就是说在 系统资源有限的情况下，我们才更需要考虑实时性问题，当系统资源非常充足，实时性问题没有那么紧迫。

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再回到之前的问题，当优先级很高的包裹来了，这时候5个工人都在工作，那么怎么办呢？你可以打断1个工人，让他优先处理这个包裹，然后优先级高的包裹被实时发送出去了。

因此实时系统很重要的一个特性就是 任务能够被抢占 ，前面提到了资源受限，因此所有的工人极有可能都在工作，当优先级高的任务到来的时候，优先级高的包裹要优先保证调度，因此它能够抢占工人，让工人优先处理它。

支持抢占

上面的例子很好理解，大部分情况下，快件比普通件会优先处理，你也会优先收到快件，但操作系统还不一样，接下来我们来分析2种情况。

锁

当2个线程要共同访问一段资源的时候，就会加上锁，来保证同时 只有一个线程占用这段资源 ，在访问结束之后，然后释放锁，其它的线程获得锁之后，就可以访问这段共享资源了。那么锁在实时系统中会出现什么问题呢？例如线程A是实时线程，线程B是非实时的，但是线程B抢占了锁，线程A激活之后，发现获取不到锁，因此陷入休眠，问题来了！！！本来实时线程的优先级比非实时线程的优先级高，但是由于锁，导致实时线程得不到调度，实时线程就不实时了，因此为了保证抢占， linux的实时内核引入了可以休眠的spinlock ，也就是说，当线程A发现B占用了锁，操作系统也可以让B休眠，从而执行线程A。

问题完美的解决了，但我又好奇sleep spin lock的实现，假设线程B已经获取了锁，实际上它是可以修改临界区的，这样即使线程A抢占了锁，但临界区的值已经改变，或者只改了一半，这时候我们怎么保证线程A获取数据的正确性呢？由于这里我们主要讨论实时性，关于sleep spin lock的实现咋们就暂且不表。

中断

中断的引入主要是为了提高外设的效率，例如键盘可能很久没有输入，如果让CPU不停的循环检测键盘是否有输入，会占用大量的CPU时间，而这样的外设有很多，例如串口、网口、USB、鼠标、键盘等等。于是操作系统就引入了中断机制，也就是说当 外设有消息要发送给CPU的时候，就触发中断，CPU接收到中断，然后根据中断号，执行不同的中断处理程序 ，例如串口的中断号是4，当串口收到消息的时候就触发中断4，CPU接收到了中断4，然后触发串口中断处理程序。

那么中断对实时性造成哪些影响呢？例如一个实时任务正在执行，这时候来了一个中断，CPU于是放弃当前任务，跳转到中断处理程序，中断处理完成之后，再接着处理之前的任务，系统也变得不实时了，也就是说中断也会导致实时性的问题。

解决问题的办法有2个， 一是绑定中断到其它的核心 ，而不要让中断均衡分布在所有核心之上，这样就不会因为中断而导致实时线程被打断；二是 修改中断处理机制 ，linux实时内核也是这么做的，由于原理我也没有详细看，这里也暂且不表。

优先级

最后，我们再回到之前的问题，当一个系统资源充足的情况下，大概率是不会出现实时性问题的，但锁和中断在极小概率的情况下，即使资源足够，也会导致实时性问题。当我们引入了优先级和抢占之后，可以解决上述问题，但是否就一定能够保证实时呢？

假设我们有5个任务，这5个任务的优先级一样，都是实时线程，那么新来了1个实时任务，由于优先级一样，它只能等待或者进行时间片轮转，这种情况下的实时性问题，还是需要增加资源，因为实时性不是银弹，一个很差的CPU，只要上实时系统就能都保证实时性，那么我们为什么还要不停的提高芯片的性能呢？

总结一下，实时性不是什么银弹， 而是在系统资源紧张的情况下（不能超出限度），实时系统通过支持抢占，能够保证优先级高的线程能够优先调度， 从而保证系统的实时性。

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