汽车电子软件开发中的实时性优化方法探讨

引言：近年来以新能源、智能化、网联化为代表的汽车产业转型升级不断加速，汽车电子软件技术正经历着前所未有的变革。软件定义汽车已经成为行业发展的必然趋势。根据相关预测，到2030 年，软件将贡献汽车价值的 40% 以上，2020 年，我国发布的《智能汽车创新发展战略》明确指出，要加强汽车芯片、操作系统、中间件等关键软件的开发与应用，突破车载高可靠实时操作系统、车载智能座舱操作系统等核心技术。面对日益复杂的汽车电子电气架构和功能安全需求，如何保证关键软件的实时性，成为汽车电子软件开发必须解决的重点问题。本文将围绕汽车电子软件实时性优化展开深入探讨，以期为行业发展提供参考。

1 汽车电子软件开发的注意要点

1.1 功能安全与信息安全

功能安全和信息安全是现代汽车电子软件开发必须高度重视的两大核心诉求。一方面，随着汽车智能化、网联化程度不断提升，车载软件功能日益丰富，其复杂度也在急剧攀升。这对软件的功能安全提出了更高要求。开发过程中必须严格遵循 ISO 26262 等汽车功能安全标准，从需求分析、设计到编码、测试的各个环节，都要充分考虑潜在的功能安全风险，采取有效的预防和管控措施；另一方面，车联网技术的兴起也让汽车面临更多信息安全威胁。车载软件必须提供完善的网络安全防护，抵御黑客入侵、恶意攻击等风险。这需要从软件架构层面入手，采用安全通信协议、数据加密、访问控制等手段，打造严密的多层防护体系。

1.2 软件架构模块化设计

软件架构模块化是应对汽车电子软件日益膨胀的复杂度，提高开发效率和质量的重要手段，传统的单体式软件架构已难以适应现代汽车电子电气系统的需求。模块化架构将整个系统划分为多个具有独立功能的子模块，每个模块内部高内聚，模块间低耦合，这种解耦合的特性，使得软件在扩展性、可维护性、可测试性等方面得到显著改善。在实际的模块划分过程中，既要遵循软件工程的一般性原则，如单一职责、接口隔离等，也要充分考虑汽车电子的特殊性。

1.3 标准化开发流程与测试

软件开发的整个生命周期管理离不开标准化的流程和科学的测试方法，汽车电子软件同样如此。建立规范的开发流程，有助于提高团队协作效率，降低沟通成本，确保软件质量，典型的软件开发流程通常包括需求分析、设计、编码、测试、发布等阶段0。汽车软件还要额外关注功能安全活动，每个阶段都要开展相应的安全分析和验证。测试在保证软件质量中举足轻重。传统的软件测试已不能完全满足汽车电子软件的需求。在单元测试、集成测试的基础上，汽车软件还要重点开展系统测试，尤其是针对功能安全的测试，这包括故障注入测试、可靠性测试等专项测试。MISRAC 等汽车软件编码标准中也对单元测试提出了严格要求，如语句覆盖、判定覆盖等。

2 基于汽车电子软件开发实时性优化的方法

2.1 面向实时性的软件架构设计

汽车电子软件普遍具有实时性需求，尤其是诸如动力总成控制、底盘控制等对控制周期和响应时间有苛刻要求的核心功能，面向实时性进行软件架构设计，是保证系统实时性能的根本举措。在顶层架构上，实时关键功能通常采用独立的处理器或专用硬件电路，以隔离非实时部分的干扰。在软件内部，需要进一步划分实时任务和非实时任务，两者在时间和空间上尽可能解耦，实现异步并发。实时架构的设计要点在于，根据任务的时间约束合理配置任务优先级和调度策略。紧急程度高、时间约束严格的任务，应赋予较高优先级0。对于周期性实时任务，要确保其能在各自周期内完成，还要考虑任务的最佳执行时间，避免优先级翻转等异常情况的发生。

2.2 高效的实时任务调度策略

任务调度是实时操作系统的核心职责，调度策略的优劣直接决定了系统的实时性能，汽车电子软件对实时多任务调度提出了更高要求，比如车身稳定控制系统，要求毫秒级的控制周期，对传感器数据的采集和执行机构的控制都必须在硬实时约束内完成。再如汽车娱乐系统中的音视频播放，虽然时间约束相对宽松，但调度算法如果不当，也会引起画面撕裂、音频卡顿等问题，影响用户体验。针对汽车电子软件的实时性需求，任务调度算法要在可预测性、高响应性等方面做出针对性优化。一种行之有效的方法是采用静态优先级调度，即在编译时即确定任务优先级，并按优先级高低进行抢占式调度。这种方法可提供可分析、可预测的实时性能保障。Rate Monotonic（RM）和 Deadline Monotonic（DM）是两种经典的静态优先级调度算法，分别根据任务的周期和相对截止时间确定优先级。考虑到汽车电子软件的任务往往具有多样化的属性，包括周期性任务、偶发性任务，甚至非实时任务，单一的调度策略难以兼顾，因此，一些研究提出了混合调度算法，结合了静态优先级和动态优先级的优点。比如Earliest Deadline First（EDF）和 Least Laxity First（LLF）等动态优先级算法，可用于调度周期性实时任务，而对于异步偶发的实时任务，则采取静态优先级抢占，这种混合调度模式可在保证核心实时任务的同时，提高 CPU 利用率。

2.3 针对性的嵌入式软件代码优化

代码层面的优化是提升嵌入式软件实时性能的最后一道防线，由于嵌入式软件运行在资源有限的微控制器上，一些常见的代码级优化手段，如空间换时间、查表等，并不总适用。嵌入式软件还要面对中断、多线程并发等实时环境的挑战，因此，针对嵌入式软件特点进行有的放矢的代码优化至关重要。首先是数据结构和算法的优化，嵌入式实时软件通常不允许使用动态内存分配，因为其引入的不确定时延可能破坏实时性，所以要尽量采用静态数据结构0。对于需要频繁查找、插入的数据，要选择合适的容器，如优先使用哈希表而非链表。在算法方面，应优先选择时间复杂度稳定的算法，避免使用具有“退化”风险的算法。对于时间复杂度难以降低的算法，可通过划分子任务、并行化等方式对其进行改造。代码执行时间可预测性是实时嵌入式软件的基本要求。因此要慎用一些动态机制，如虚函数、函数指针等，其调用开销不确定。对于 CPU 密集型的循环体，可通过循环展开、分支预测等优化提高执行效率。对于一些占用时间较长的任务，要考虑必要的“捎带”（Piggyback）处理，即将其划分为多个子步骤，穿插在实时任务的空闲时间执行。工程上还要注意控制函数调用深度，防止调用栈溢出等意外。

结束语：实时性优化是汽车电子软件开发需要重点关注的问题，通过合理规划软件架构、采用先进的实时调度算法、对关键代码进行针对性优化等举措，可以有效提升软件实时性能。展望未来，随着 AUTOSAR 等汽车软件平台的进一步发展和成熟，以及新一代车载芯片性能的不断提升，汽车电子软件有望在实时性保障方面取得更大突破，为智能网联汽车产业高质量发展提供有力支撑。

参考文献：

[1]阮为平.汽车电子技术在中职汽车教育中的教学应用探讨[J].汽车维修技师，2025，（10）：77-79.

[2]卢爱蔓.汽车电子测控系统设计与实现[J].汽车测试报告，2025，（06）：16-18.

[3]肖月霞.汽车电子控制系统可靠性与安全性评估方法研究[J].汽车测试报告，2025，（04）：76-78.