在现代电池应用的广阔领域中，电池管理系统（Battery Management System，简称 BMS）发挥着至关重要的作用。从电动汽车到便携式电子设备，从大规模储能电站到各类工业应用，BMS 的身影无处不在，它全方位地呵护着电池的健康，确保电池系统高效、安全且稳定地运行。下面，我们将深入剖析电池管理系统的各个方面。 一、BMS 的定义 电池管理系统是一种用于监控、管理和保护电池系统的电子装置。它通过实时采集电池的各项参数，如电压、电流、温度等，并依据这些参数进行精确的分析和计算，进而对电池系统实施有效的控制和管理。其核心目标在于确保电池在各种复杂的工作条件下，始终处于最佳的工作状态，最大限度地发挥电池的性能优势，同时有效延长电池的使用寿命，保障电池使用过程中的安全性。简单来说，BMS 就是电池系统的 “智慧大脑”，负责协调电池系统内各个部分的工作，使其发挥出最佳效能。 二、BMS 的功能 （一）电池状态监测 电压监测：精确监测电池组中每一个单体电池的电压，以及整个电池组的总电压。通过对电压的实时监测，BMS 能够判断电池的充电状态（SOC）、健康状态（SOH）等关键信息。例如，当单体电池电压过高或过低时，可能意味着电池存在过充、过放或其他故障问题，BMS 会及时发出警报并采取相应措施。 电流监测：准确测量电池充放电过程中的电流大小和方向。电流数据对于计算电池的充放电量、评估电池的功率输出能力以及监测电池的工作状态至关重要。通过监测电流，BMS 可以实时掌握电池的能量流动情况，防止过大的充放电电流对电池造成损害。 温度监测：实时监测电池的温度分布，由于电池在充放电过程中会产生热量，温度过高或过低都会对电池的性能和寿命产生严重影响。BMS 通过在电池组中布置多个温度传感器，精确感知各个部位的温度变化，一旦发现温度异常，便会启动散热或加热装置，将电池温度控制在适宜的范围内。 （二）电池保护 过充保护：当电池充电达到满电状态时，BMS 会及时切断充电电路，防止电池过充。过充可能导致电池内部压力升高、电解液分解、甚至引发起火爆炸等严重安全事故。BMS 通过监测电池电压和充电电流等参数，精确判断电池的充电状态，一旦检测到过充迹象，立即采取保护措施，确保电池安全。 过放保护：在电池放电过程中，BMS 会实时监测电池电压，当电压降至设定的最低保护值时，BMS 会自动切断放电电路，避免电池过度放电。过度放电会导致电池容量永久性损失，缩短电池使用寿命，BMS 的过放保护功能能够有效防止这种情况发生。 过流保护：当电池充放电电流超过允许的最大值时，BMS 会迅速切断电路，以防止过大的电流对电池造成热失控、电极材料损坏等问题。过流保护功能能够在瞬间响应，保护电池免受异常电流的冲击。 过热保护：如前文所述，电池温度过高会严重影响其性能和安全性。当 BMS 监测到电池温度超过安全阈值时，会立即启动散热风扇、水冷系统等散热装置，或者降低充放电电流，减少电池产热，确保电池温度在安全范围内。 （三）电池均衡管理 在电池组中，由于单体电池在制造工艺、材料特性等方面存在细微差异，长时间使用后，各单体电池之间会出现容量、电压等不一致的情况，即所谓的 “不均衡” 现象。这种不均衡会导致部分电池过度充放电，从而加速整个电池组的老化和性能衰退。BMS 的均衡管理功能旨在通过主动或被动的方式，使电池组中各个单体电池的电量保持一致，提高电池组的整体性能和使用寿命。 主动均衡：主动均衡是指通过能量转移的方式，将电量较高的单体电池中的能量转移到电量较低的单体电池中，使各单体电池的电量趋于一致。常见的主动均衡方法包括电容均衡、电感均衡和 DC - DC 变换器均衡等。主动均衡能够快速、有效地实现电池均衡，尤其适用于对电池性能要求较高的应用场景。 被动均衡：被动均衡则是通过在单体电池上并联电阻等耗能元件，当某个单体电池电压高于其他电池时，通过电阻将多余的能量以发热的形式消耗掉，从而实现电池均衡。被动均衡方法简单、成本较低，但存在能量浪费的问题，均衡速度相对较慢。 （四）电池状态估计 剩余电量（SOC）估计：准确估计电池的剩余电量对于用户合理使用电池设备至关重要。BMS 通过多种算法，如安时积分法、开路电压法、卡尔曼滤波法等，综合考虑电池的电压、电流、温度等参数，对电池的剩余电量进行精确估算。SOC 估计的准确性直接影响用户对设备续航能力的判断，BMS 会不断优化算法，提高 SOC 估计的精度。 健康状态（SOH）估计：SOH 反映了电池的老化程度和性能衰退情况。BMS 通过监测电池的内阻变化、容量衰减等指标，结合数学模型和算法，对电池的 SOH 进行评估。准确的 SOH 估计有助于用户及时了解电池的健康状况，提前做好电池更换或维护计划，避免因电池故障导致设备无法正常使用。 三、BMS 的组成部分 （一）硬件部分 主控单元（MCU）：作为 BMS 的核心处理器，主控单元负责接收来自各个传感器的数据，进行数据处理和分析，并根据预设的算法和策略，发出相应的控制指令。它具备强大的运算能力和数据处理速度，能够快速响应电池系统的各种变化，确保 BMS 的高效运行。 电压采样电路：用于采集电池单体和电池组的电压信号。电压采样电路需要具备高精度、高可靠性和良好的抗干扰能力，以确保采集到的电压数据准确无误。通常采用专用的电压采样芯片或模块，通过分压、滤波等处理后，将电压信号传输给主控单元。 电流采样电路：负责测量电池充放电电流。电流采样电路一般采用霍尔电流传感器、分流器等元件，将电流信号转换为电压信号，经过放大、滤波等处理后，输入到主控单元进行分析和计算。准确的电流测量对于电池状态监测和保护功能的实现至关重要。 温度采样电路：通过温度传感器（如热敏电阻、热电偶等）采集电池的温度信息。温度采样电路将温度传感器输出的信号进行调理和转换，使其符合主控单元的输入要求。由于电池组不同部位的温度可能存在差异，通常需要在多个关键位置布置温度传感器，以全面监测电池的温度分布。 通信接口电路：BMS 需要与外部设备（如整车控制器、充电设备、上位机等）进行数据通信，以实现信息交互和协同控制。常见的通信接口包括 CAN 总线、LIN 总线、RS485 等。通信接口电路负责将主控单元的数据进行编码和转换，通过相应的通信协议与外部设备进行数据传输。 保护电路：包括过压保护、过流保护、欠压保护等电路，用于保护 BMS 硬件本身以及电池系统免受异常电压、电流的损害。当检测到异常情况时，保护电路会迅速动作，切断相关电路，防止硬件损坏和安全事故发生。 （二）软件部分 数据采集与处理程序：负责控制硬件电路实时采集电池的电压、电流、温度等数据，并对采集到的数据进行滤波、校准、存储等处理。数据采集与处理程序需要具备高效、准确的特点，确保数据的可靠性和及时性。 电池状态估计算法：如前文所述，包括 SOC、SOH 等估计算法。这些算法是 BMS 软件的核心部分，通过对采集到的数据进行分析和计算，精确估计电池的状态。算法的优劣直接影响 BMS 的性能和精度，研发人员不断优化和改进算法，以提高电池状态估计的准确性。 保护控制策略程序：根据电池的状态信息，依据预设的保护规则和策略，生成相应的控制指令，实现过充、过放、过流、过热等保护功能。保护控制策略程序需要具备快速响应、可靠性高的特点，确保在异常情况下能够及时有效地保护电池系统。 均衡控制程序：负责实现电池均衡管理功能，根据电池的不均衡情况，控制主动或被动均衡电路的工作，使电池组中各单体电池的电量趋于一致。均衡控制程序需要根据不同的均衡方式和电池特性，采用合适的控制算法，提高均衡效率和效果。 通信协议栈程序：实现与外部设备通信所需的各种通信协议，如 CAN 通信协议、LIN 通信协议等。通信协议栈程序负责数据的打包、解包、发送和接收，确保 BMS 与外部设备之间的数据通信稳定、可靠。 四、BMS 的工作原理 BMS 的工作过程可以简单概括为数据采集、数据分析与处理、控制决策与执行三个主要环节。 数据采集：电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路实时采集电池的电压、电流和温度等参数，并将这些模拟信号转换为数字信号，传输给主控单元。 数据分析与处理：主控单元接收到传感器采集的数据后，首先对数据进行滤波处理，去除噪声干扰，然后根据预设的算法和模型，对电池的状态进行分析和计算，如估算 SOC、SOH 等。同时，主控单元还会将当前电池的状态数据与预设的安全阈值进行比较，判断电池是否处于正常工作状态。 控制决策与执行：当主控单元判断电池出现异常情况（如过充、过放、过流、过热等）时，会根据预设的保护控制策略，立即发出相应的控制指令，通过驱动电路控制保护电路动作，切断充放电回路，或者启动散热、均衡等装置，对电池进行保护和管理。在正常工作情况下，BMS 也会根据电池的状态信息，对充电设备或负载进行合理的控制，优化电池的充放电过程，提高电池的使用效率和寿命。 五、BMS 的技术发展趋势 （一）高精度的电池状态估计技术 随着对电池性能要求的不断提高，研发更加精确的电池状态估计技术成为 BMS 的重要发展趋势。未来，BMS 将结合更多的传感器数据和先进的算法，如机器学习、深度学习算法等，对电池的 SOC、SOH 等状态进行更准确的估计，为用户提供更可靠的电池信息。 （二）高效的电池均衡技术 为了进一步提高电池组的性能和寿命，开发更高效、快速且节能的电池均衡技术是关键。新型的主动均衡技术，如基于无线能量传输的均衡技术、多端口 DC - DC 变换器均衡技术等，将逐渐得到应用和推广，以实现电池组中各单体电池的精准均衡。 （三）高可靠性和安全性设计 在电动汽车、储能电站等对安全性要求极高的应用场景中，BMS 的可靠性和安全性至关重要。未来，BMS 将采用冗余设计、故障诊断与容错控制等技术，提高系统的可靠性和安全性，降低电池系统发生故障的风险。同时，加强对电池系统的热管理和安全防护设计，确保在极端情况下电池系统的安全运行。 （四）智能化与网络化发展 随着物联网、大数据、云计算等技术的发展，BMS 将向智能化和网络化方向迈进。通过与互联网连接，BMS 可以实现远程监控、诊断和管理，用户可以随时随地通过手机、电脑等终端设备获取电池的状态信息，并对电池进行远程控制。同时，BMS 还可以将大量的电池运行数据上传至云端，通过大数据分析挖掘潜在的价值，为电池的优化设计、维护管理提供依据。 六、BMS 在不同领域的应用 （一）电动汽车领域 在电动汽车中，BMS 是确保车辆安全、高效运行的核心部件之一。它不仅能够实时监测电池的状态，保护电池免受过度充放电和过热等损害，还能通过优化电池的充放电过程，提高电池的使用效率和续航里程。此外，BMS 还与整车控制器进行通信，协调车辆的动力输出和能量回收等功能，提升电动汽车的整体性能。 （二）储能领域 在储能系统中，无论是电网储能、可再生能源储能还是家庭储能，BMS 都起着至关重要的作用。它能够对储能电池进行有效的管理和保护，确保电池在频繁的充放电循环中保持良好的性能和寿命。同时，BMS 还可以根据电网的需求和储能电池的状态，实现储能系统的优化调度和控制，提高储能系统的经济性和可靠性。 （三）便携式电子设备领域 对于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等便携式电子设备，BMS 虽然相对简单，但同样不可或缺。它可以监测电池的状态，提供准确的电量显示，防止电池过充过放，延长电池的使用寿命，为用户提供更好的使用体验。 综上所述，电池管理系统作为电池系统的核心组成部分，在保障电池安全、提高电池性能和延长电池寿命等方面发挥着不可替代的作用。随着新能源技术的不断发展和应用领域的不断拓展，BMS 的技术水平也在不断提升，其功能将更加完善，性能将更加卓越，为推动新能源产业的发展和实现能源的可持续利用提供有力支持。
1.0 用户空间与内核空间概述 1）用户空间： 用户空间是指运行用户应用程序的内存区域。在这一空间中，应用程序可以执行其代码并处理数据，但不允许直接访问内核空间中的资源或数据结构。 每个用户程序在其独立的地址空间中运行，彼此之间是隔离的。这意味着一个程序不能直接干扰另一个程序的内存或资源。 2）内核空间： 内核空间是操作系统内核所占用的内存区域。内核负责管理硬件资源、进程调度、内存管理、文件系统以及网络协议等核心功能。 内核空间拥有对所有硬件和系统资源的权限，应用程序无法直接访问这一空间。 2.0 Redis 网络模型 Linux 系统为了提高 IO 效率，会在用户空间和内核空间都加入缓冲区： 以上是读数据的过程： 当用户要从网络中读取数据时，首先在用户空间中执行命令来调用内核空间中的命令，因为用户空间的命令不能直接来调用或者使用硬件资源。此时，需要等待内核空间调用命令来从网卡中获取数据，接着，将从网卡中获取到的数据先是拷贝到内核空间中的缓冲区，最后再从内核空间中的缓冲区数据拷贝到用户空间缓冲区中。 简单来说： 1）写数据时：要把用户缓冲数据拷贝到内核缓冲区，然后写入设备。 2）读数据时：要从设备读取数据到内核缓冲区，然后拷贝到用户缓冲区。 这一整个过程可以分为两个小过程： 1）等待数据就绪。 2）从内核拷贝数据到用户空间。 因此，通过对以上两个过程不同的处理就演变出不同的方式：阻塞 IO、非阻塞 IO、IO 多路复用、信号驱动 IO、异步 IO 。 2.1 Redis 网络模型 - 阻塞 IO 顾名思义，阻塞 IO 就是两个阶段都必须阻塞等待。 当用户来读取数据时，此时内核还没有准备好数据，那么进程就直接 "硬等"，直到内核准备好数据，所以，第一个过程是当前线程阻塞为阻塞状态。由于第一个过程还没获取到数据，还在等待数据，自然而然的，第二个过程也就没有数据拷贝到用户缓冲区中，也就是说，第二个过程同样是阻塞状态。 2.2 Redis 网络模型 - 非阻塞 IO 顾名思义，非阻塞 IO 的 recvfrom 操作会立即返回结果而不是阻塞用户进程。 可以看到，非阻塞 IO 模型中，用户进程在第一个阶段是非阻塞，第二个阶段是阻塞状态。虽然是非阻塞，但性能并没有得到提高。而且忙等机制导致 CPU 空转，CPU 使用率暴增。 2.3 Redis 网络模型 - IO 多路复用 无论是阻塞 IO 还是非阻塞 IO，用户应用在一阶段都需要调用 recvfrom 来获取数据，差别在于无数据时的处理方案： 1）如果调用 recvfrom 时，恰好没有数据，阻塞 IO 会使进程阻塞，非阻塞 IO 使 CPU 空转，都不能发挥 CPU 的作用。 2）如果调用 recvfrom 时，恰好有数据，则用户进程可以直接进入第二阶段，读取并处理数据。 比如服务端处理客户端 Socket 请求时，在单线程情况下，只能依次处理每一个 Socket，如果正在处理的 Socket 恰好未就绪，线程就会被阻塞，所有其他客户端 Socket 都必须等待，性能自然会很差。 因此，可以采用 IO 多路复用的方式来解决。 IO 多路复用方式简单来说，就是通过一个用户进程来监视内核中的多个数据，并在某个数据准备好则进行读写处理。 那么用户进程如何知道内核中数据是否就绪呢？ 可以通过文件描述符表（File Descriptor）：简称 FD，是一个从 0 开始递增的无符号整数，用来关联 Linux 中的一个文件。在 Linux 中，一切皆文件，例如常规文件、视频、硬件设备等，当然也包括网络套接字（Socket）。 因此 IO 多路复用：是利用单个线程来同时监听多个 FD，并在某个 FD 可读、可写时得到通知，从而避免无效的等待，充分利用 CPU 资源。 在 IO 多路复用中，获取到就绪的 FD，然后根据 FD 的信息再来调用 recvfrom 命令，此时，内核中的缓冲区一定会有相对应的数据，直接从内核中拷贝回用户缓冲区即可。 需要注意的是，如果等待数据过程中，没有监听到已就绪的 FD，仍旧是阻塞等待，所以第二个阶段也是处于阻塞状态。不过，概率很小，因为 FD 很多，总有很大可能在短时间内获取到已就绪的 FD。 在 IO 多路复用中，对于如何监听 FD 的方式、通知的方式又有多种实现，常见的有：select、poll、epoll 三种常见的方式。 select、poll、epoll 的主要差异： 1）select 和 poll 只会通知用户进程有 FD 就绪，但不确定具体是哪个 FD，需要用户进程逐个遍历 FD 来确认。 2）epoll 则会在通知用户进程 FD 就绪的同时，把已就绪的 FD 写入用户空间。 2.3.1 IO 多路复用 - select select 是 Linux 中最早的 IO 多路复用实现方案： select 的相关源码： 在源码中，可以看到有 int select() 函数，里面的主要字段： 1）int nfds：要监视的 fd_set 的最大 FD + 1，也就是集合中有多个 FD，按照顺序从 1 到 1024 存放在集合中，nfds 表示监视的范围从 0 到最大的 FD + 1 之内。 2）fd_set *readfds：需要监视读事件的 FD 集合。 3）struct timeval *timeout：监听的超时时间，null 表表示永不超时、0 表示不阻塞等待、大于 0 表示等待的时间。 fd_set：表示一种类型，实际就是一个整型数组，数组大小是固定为 1024 个比特位。每一个 bit 表示一个 FD，0 表示未就绪，1 表示已就绪。 select 具体监听 FD 的过程： 在用户进程中创建一个 fd_set 集合，也就是一个 1024 比特大小的整型数组，再收集需要监听的 FD 并且存放在该数组中，接着调用 select() 方法，开始监听：首先将收集好 FD 数组拷贝到内存缓冲区中，接着在内核空间对该数组进行遍历查看是否有相对应的数据，如果一个都没有找到就绪的 FD，则休眠，直到等到的数据已就绪或者超时就会被唤醒，假设 FD = 1 数据就绪了，接着将对应的 FD 设置为 1，其他设置为 0，再拷贝回用户缓冲区中，最后再由用户空间对数组进行遍历，找到就绪的 FD，调用 recvfrom 命令获取数据。 select 模式存在的问题： 1）需要将整个 fd_set 从用户空间拷贝到内核空间，select 结束还要再次拷贝回用户空间。 2）select 无法得知具体哪个 fd 就绪，需要遍历整个 fd_set 。 3）fd_set 监听的 fd 数量不能超过 1024 。 2.3.2 IO 多路复用 - poll poll 模式对 select 模式做了简单改进，但性能提升不明显，部分关键代码如下： poll() 函数的主要字段： 1）struct pollfd *fds：是一个 pollfd 类型的数组，pollfd 的内部结构封装了要监听的 FD、events 要监听的事件类型、revents 实际发生的事件类型。该数组可以自定义大小，这解决了 select 模式中能最大监听 1024 个 FD 的问题。 2）nfds_t nfds：数组元素个数。 3）int timeout：超时时间。 poll 模式监听 FD 的具体流程： 1）创建 pollfd 数组，向其中添加关注的 fd 信息，数组大小自定义。 2）调用 poll 函数，将 pollfd 数组拷贝到内核空间，转链表存储，无上限。 3）内核遍历 fd，判断是否就绪。 4）数据就绪或超时后，拷贝 pollfd 数组到用户空间，返回就绪 fd 数量 n 。 5）用户进程判断 n 是否大于 0 。 6）大于 0 则遍历 pollfd 数组，找到就绪的 fd 。 与 select 对比： 1）select 模式的 fd_set 大小固定为 1024，而 pollfd 在内核中采用链表，理论上无上限。 2）监听 FD 越多，每次遍历消耗时间也越久，性能反而会下降。 需要C/C++ Linux服务器架构师学习资料加qun579733396获取（资料包括C/C++，Linux，golang技术，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒体，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，协程，DPDK，ffmpeg等），免费分享 2.3.3 IO 多路复用 - epoll epoll 模式是对 select 和 poll 的改进，提供了三个函数。 相关源码如下： 1）int epoll_create()：会直接在内核创建 eventpoll 结构体，一颗红黑树，用来记录要监听的 FD，另一个链表，用来记录已就绪的 FD。返回对应的句柄 epfd，用来标记。 2）int epoll_ctl()：该方法主要是将要监听的 FD 添加到内核中的红黑树中。 主要参数是 epfd，记录 epoll 实例的句柄；op，要执行的类型，包含：ADD、MOD、DEL；fd，要监听的 FD； 3）int epoll_wait()：该方法主要是用来等待接收已就绪的 FD。 主要参数是 epfd，eventpoll 实例的句柄；*events，用来接收已就绪的 FD；maxevents，数组的最大长度；timeout，超时时间； epoll 模式监听 FD 的具体流程： 首先在内核中创建一颗红黑树，用来接收需要监听的 FD 和一个接收已就绪的链表。接着用户进程会将需要监听的 FD 直接添加到红黑树中，并且设置 ep_poll_callback，当 callback 自动触发时，就把对应的已就绪的 FD 从红黑树加入到链表中。此时，list_head 就会通知用户进程来接收链表中已就绪的 FD，将其拷贝到 events 数组中，此时的数组中为已就绪的 FD，可以直接知道已就绪的 FD，不需要遍历。最后就可以根据已就绪的 FD 来调用 recvfrom 命令来获取数据了。 小结： 1）select 模式存在的三个问题： 每监听的 FD 最大不超过 1024 。 每次 select 都需要把所有要监听的 FD 拷贝到内核空间。 每次都要遍历所有 FD 来判断就绪状态。 2）poll 模式的问题： poll 利用链表解决了 select 中监听 FD 上限的问题，但依然要遍历所有 FD，如果监听较多，性能会下降。 3）epoll 模式中如何解决这些问题： 基于 epoll 实例中的红黑树保存要监听的 FD，理论上无上限，而且增删改查效率都非常高，性能不会随监听的 FD 数量增多而下降。 每个 FD 只需要执行一次 epoll_ctl 添加到红黑树，以后每次 epol_wait 无需传递任何参数，无需重复拷贝 FD 到内核空间。 内核会将就绪的 FD 直接拷贝到用户空间的指定位置，用户进程无需遍历所有 FD 就能知道就绪的 FD 是谁。 2.3.4 epoll 的 ET 和 LT 模型 当 FD 有数据可读时，调用 epoll_wait 就可以得到通知。但是事件通知的模式有两种： 1）LevelTriggered：简称 LT 。当 FD 有数据可读时，会重复通知多次，直到数据处理完成。是 epoll 的默认模式。 具体流程： 当内核中的链表中存在已就绪的 FD，那么就会通知多次给用户进程来获取数据到 events 集合中，可能数据量比较大，一次性拷贝不了全部数据，那么就会分多次进行拷贝，在这个阶段，LT 模式会重复多次发送通知给用户来拷贝数据，这个过程中，链表中的数据是不会删除，依旧会在链表中存储，直到数据处理完成。 2）EdgeTriggered：简称 ET。当 FD 有数据可读时，只会被通知一次，不管数据是否处理完成。 具体流程： 在内核中链表已存储就绪的 FD 时，就会给用户进程发送一次通知，当用户进程来拷贝数据的时候，链表中的 FD 就会自动删除，不管数据是否处理完毕。 举个例子： 假设一个客户端 socket 对应的 FD 已经注册到了 epoll 实例中，客户端 socket 发送了 2kb 的数据，服务端调用 epoll_wait，得到的通知说 FD 就绪。服务端从 FD 读取了 1kb 数据，接着再次调用 epoll_wait，形成循环。 如果采用 ET 模式，每一次调用 epoll_wait 函数服务端都会得到通知来读取剩下的数据。 如果采用 LT 模式，只有第一次调用 epoll_wait 函数的时候服务端才会得到通知，循环再次调用 epoll_wait 函数时，不再会发送通知给服务端，那么剩下的数据就会丢失。 解决方案： 1）在第一次拷贝数据完之后，再继续调用添加 FD 的函数，则在红黑树中的已就绪的 FD 又会再次拷贝到链表中，继续下一次通知用户进程。 2）在第一次拷贝的时候，使用循环，将其数据全部拷贝完毕。 小结： ET 模式避免了 LT 模式可能出现的惊群现象。 ET 模式最好结合非阻塞 IO 读取 FD 数据，相比 LT 会复杂一些。 2.3.5 基于 epoll 的服务端流程 基于 epoll 模式的 web 服务的基本流程： 首先调用 epoll_create 函数创建实例，在内核中创建一颗红黑树，接收需要监听的 FD 和一个链表，接收已就绪的 FD。 接着创建服务端 serverSocket 并将得到的 FD 添加到红黑树中进行监听，调用 epoll_ctl 函数进行添加 FD 到红黑树中，还要给注册 ep_poll_callback，当 FD 就绪时，将就绪的 FD 记录到链表中。 再接着就是调用 epoll_wait 函数进行等到链表中已就绪的 FD，此时会进行休眠，当超时或者被通知的时候，线程就会被唤醒，如果时超时导致的唤醒，证明目前链表中还没得到已就绪的 FD，那么就需要继续调用 epoll_wait 函数继续等待；如果被通知链表中存在就绪的 FD 被唤醒的时候，就会接着判断事件类型。 此时，当服务端的 FD 已就绪时，则 serverSocket 接收到 socket 客户端，将对应的 scoket 的 FD 添加到红黑树中，并且注册 ep_poll_callback，对客户端进行监听。 对客户端进行监听，当监听到了客户端的 FD 状态已就绪了，则说明有请求发送到服务端中，接着就会通知给用户进程，得到对应的 FD，再接着调用 recvfrom 命令来读取内核中的请求数据。 这就是基于 epoll 模式的 web 服务的基本流程。 2.4 Redis 网络模型 - 信号驱动 IO 信号驱动 IO 是与内核建立 SIGIO 的信号关联并设置回调，当内核有 FD 就绪时，会发生 SIGIO 信号通知用户，期间用户应用可以执行其他业务，无需阻塞等待。直到数据就绪，递交 SIGIO 信号，也就是得到通知，告诉用户进程，数据准备好了，可以从内核缓冲区获取了。 在第一阶段，也就是等待数据是不阻塞的，进程可以执行其他业务，而第二个阶段，拷贝数据是阻塞的。 信号驱动 IO 存在的问题： 当有大量 IO 操作时，信号较多，SIGIO 处理函数不能及时处理可能导致信号队列溢出而且内核空间与用户空间的频繁信号交互性能也较低。 2.5 Redis 网络模型 - 异步 IO 异步 IO 的整个过程都是非阻塞的，用户进程调用完异步 API 后就可以去做其他事情，内核等待数据就绪并拷贝到用户空间后才会递交信号，通知用户进程。 可以看到，异步 IO 模型中，用户进程在两个阶段都是非阻塞状态。 3.0 Redis 单线程及多线程网络模型 3.1 经典面试题：Redis 是单线程还是多线程？ 1）如果对于 Redis 的核心业务部分，也就是命令处理的部分，Redis 就是单线程。 2）如果对于 Redis 整体来说，那么 Redis 就是多线程。 在 Redis 版本迭代过程中，在两个重要的时间节点引入了多线程的支持： 1）Redis v4.0：引入多线程异步处理一些耗时较长的任务，例如异步删除命令 unlink。 2）Redis v6.0：在核心网络模型中引入多线程，进一步提高对于多核 CPU 的利用率。 3.2 经典面试题：为什么 Redis 要选择单线程？ 1）抛开持久化不谈，Redis 是纯内存操作，执行速度非常快，它的性能瓶颈是网络延迟而不是执行速度，因此多线程并不会带来巨大的性能提升。 2）多线程会导致过多的上下文切换，带来不必要的开销。 3）引入多线程会面临线程安全问题，必然要引入线程锁这样的安全手段，实现复杂度增高，而且性能也会大打折扣。 3.3 Redis 网络模型的结构及具体流程 1）Redis 网络模型流程：第一个阶段 创建 serverSocket 服务端，调用 aeEventLoop 在内核中创建红黑树和链表，接着将服务端的 FD 添加到内核的红黑树中进行监听，再接调用 aeApiPoll 函数进行等待数据。一旦监听到服务端的 FD 就绪，就会调用 tcpAccepthandler 连接处理器，简单来说，该处理器就是将连接到服务端的客户端的 FD 添加到内核红黑树中进行监听处理。 如果是已经添加到红黑树的客户端的 FD 已就绪了，就会将 FD 添加到链表中，且通知用户进程来获取 FD，再接着使用 recvfrom 命令来获取该客户端的请求数据。因此，readQueryFromClient 命令请求处理器的作用是：读取请求数据。 2）Redis 网络模型流程：第二个阶段 对于 readQueryFromClient 命令请求处理器的作用是请求数据，那么具体是如何读取的呢？ 相关的源代码： 可以看到里面有三个函数，readQueryFromClient() 调用了 processCommand()，而 processCommand() 调用了 addReply() 。 该函数具体的任务： 1）readQueryFromClient()：获取当前客户端，客户端中有缓冲区用来读和写。读取请求数据到缓冲区和解析缓冲区字符串，转为 Redis 命令参数存入到数组中。 2）processCommand()：根据命令名称，寻找对应的 command，执行命令，得到结果。 3）addReply()：尝试把结果写到客户端缓存区，如果 buf 写不下，则写到 reply，这是一个链表，容量无上限。再接着将客户端添加到队列中，等待被写出。 具体结构如下： 在读取客户端发送过来的请求过程中，是 IO 操作。 3）Redis 网络模型流程：第三个阶段 现在结果已经存在到队列中了，等待被读取，也就是输出到对应的客户端，该过程进行 IO 操作。 相关源码如下： 在等待数据之前，会调用 beforeSleep 函数，监听 socket 的 FD 读事件，并且绑定写处理器，可以把响应写到客户端 socket 。一旦客户端写操作 FD 就绪了，则将队列中的结果写入到客户端中。 Redis 网络模型单线程的最终形态： Redis 6.0 版本引入了多线程，目的是为了提高 IO 读写效率。因此解析客户端命令、写响应结果时采用多线程。而核心的命令执行 IO 多路复用模块依然是由主线程执行。 Redis 网络模型多线程的最终形态： 在单线程的基础上，在 IO 读写步骤中添加多线程进行操作：在读取请求数据、解析数据的步骤、将队列中的结果写入到对应的客户端中，这些步骤都是可以使用多线程进行操作。
光半导体的类型 光半导体的类型如下： （1）发光器件・・・可见光LED、红外LED、紫外LED、激光二极管 （2）受光器件・・・光传感器、太阳能电池、CMOS传感器 （3）复合器件（发光元件与受光元件的组合）・・・光耦、光纤耦合器 LED的发光原理 发光二极管（LED）的发光原理是向化合物半导体的pn结施加正向电流。 当正向电流通过发光二极管时，载流子（电子和空穴）移动。p型区的空穴向n型区移动，n型区的电子向p型区移动。注入的载流子重组，重组前后的能量差将以光的形式释放出来。发射光取决于化合物半导体的能隙（Eg）。 （备注：传统的硅二极管不发光，因为重组能量变成了热能。） LED的波长范围 LED发射不同波长的紫外光乃至红外光。发射波长将通过下面采用化合物半导体材料能隙（Eg）的等式进行表示。 λ（nm）＝1240/Eg（eV） 具有较大能隙的材料发射较短的波长，具有较小能隙的材料发射较长的波长。 对于应用于电视遥控器等的红外LED，使用GaAs（砷化镓）材料；对于红色／绿色指示器LED，使用GaP（磷化镓）或InGaAlP（磷化铝镓铟）；对于蓝色LED，使用InGaN（氮化铟镓）或GaN（氮化镓）。 不同材料LED的发光颜色（按材料） 什么是光耦？ 光耦是将发光二极管（LED）和光电探测器集成于一个封装中的器件。与其它光学器件不同，光不会发射至封装外。其外观类似于非隔离器／固态继电器。虽然光耦是一种光学器件，但它不处理光，而是处理电信号。 光耦的操作示例： （1）LED接通（0⇒1）。 （2）LED光进入光电晶体管。 （3）光电晶体管接通。 （4）输出电压改变0⇒1。 （1）LED关断（1⇒0）。 （2）LED光停止进入光电晶体管。 （3）光电晶体管关断。 （4）输出电压改变1⇒0。 为什么需要光耦？ 在光耦中，原边（LED侧）和副边（受光器件侧）是电绝缘的。因此，即使原边和副边的电位（甚至GND电位）不同，也可以将原边电信号传输到副边。 如右图所示的逆变器应用中，控制单元（如微控制器）通常在低直流电压下工作。另一方面，IPM和IGBT将驱动高电压负载（比如需要200V交流电）。高压系统部件可通过耦合器直接由微控制器控制。 光耦的类型 LED用于光耦的输入。另一方面，有各种器件可用于输出。 晶体管输出 光电晶体管是一种探测器。也可使用达林顿类型。 IC输出 我们有光电二极管作为受光器件的产品、逻辑等输出产品、用于IGBT和MOSFET栅极驱动的大电流输出产品、以及隔离放大器等高功能产品。 双向可控硅／晶闸管输出 光电晶闸管或光电可控硅用于输出。它们主要用于交流线路的控制。 光继电器（MOSFET输出） 光伏阵列（光电二极管阵列）驱动MOSFET的栅极来打开／关闭输出。通过这种操作，它可以用作MOSFET输出的继电器开关。 光耦的类型（封装） 光耦必须具有符合安全标准的封装形状和介电强度。根据安全标准进行设计时，需要检查以下各项。 绝缘爬电距离 两个导体之间沿绝缘体表面的最短距离（原边和副边）。 间隙 通过空气测量的两个导体之间的最短距离。 绝缘厚度 两个导体之间绝缘体的最小距离。 隔离电压 两个导体之间的隔离电压 * 根据UL规定，即使施加1分钟也不会破坏绝缘的交流电压。 光耦的类型（内部结构） 由于要求的绝缘性能、封装尺寸和内部芯片尺寸等限制，光耦具有不同类型的内部封装结构。 单模透射型： 框架式LED和框架式光电探测器采用面对面的模压封装。LED与光电探测器之间的透光部件采用硅树脂材料。 带膜的单模透射型： 为了提高隔离电压，可在LED和光电探测器之间插入聚酰亚胺薄膜。 双模透射型： 在这种透射结构中，内模为白色，外模为黑色。红外线透光率高的树脂用于透光部件的白色模具。 反射型： 框架式LED和框架式光电探测器位于同一平面。LED光在硅树脂中反射并到达光电探测器。因此，它被称为反射型。 光耦的安全标准 将光耦安装在电气设备中以保护人体免于触电时，光耦可能需要遵守不同安全标准方面的规定。 现行有各种确保安全的法规和标准。 从设计和制造的角度来看，安全标准可分为“设定标准”和“零件标准”。 设定标准是设计和制造电视机、录像机和电源装置等设备的基础。“整机标准”根据设备类型、隔离方法及其等级、驱动电压等不同而异。 此外，绝缘部分必须保持的项目（介电强度（绝缘电压）、爬电距离、间隙等）被指定为“零件标准”。 主要安全标准 零件标准 UL1577（cUL） 隔离电压标准（1分钟） 批准组织：UL（美国保险商实验室公司） EN60747-5-5 最大工作隔离电压和最大过压标准 批准组织：VDE（德国电气工程师协会） 批准组织：TUV（技术监督协会） 整机标准 （批准组织：BSI（UK）SEMKO（瑞典）等） EN60950 电信网络设备（工作站、PC机、打印机、传真电阻器、调制解调器等）标准 EN60065 家用电器设备标准（电视、收音机、录像机等） 光耦的特性（电流传输比：CTR） 晶体管耦合器的电流传输比：它是用输出电流相对于输入电流的放大率来表示的，比如晶体管hFE。 电流传输比＝CTR＝IC/IE＝输出（集电极）电流/输入电流×100（%） 例如： 当输出是IF＝5mA时，得到IC＝10mA。 CTR＝IC /IF＝10mA/5mA×100（%）＝200% 光耦的主要特性（触发LED电流） 触发LED电流”是指“触发状态发生变化的LED电流”。 IFT, IFH, IFLH, IFLH等用作符号。 规格书中显示的触发LED电流表示了产品保证的电流值。为了稳定运行，设计人员在设计时必须保证至少有触发LED电流（最大值）流动。 输入LED电流IF从0mA逐渐增大，如果输出在1mA时切换到导通状态，则IFT＝1mA。 在下面的规格书中，将输出切换到导通状态所需的IF 最大值为3mA。 触发LED电流是电路设计和使用寿命设计的重要项目。 光耦的老化变化数据 光耦的老化变化数据 发光元件（LED）的光输出会随时间的推移而减弱。在光耦中，LED光输出的老化变化比受光器件的老化变化更为明显。因此，设计人员需要利用所采用的光耦的老化变化数据来估计发光等级的降低趋势。设计人员将根据使用设备的使用环境和LED的总工作时间来计算LED的光输出变化。必须将该值反映在LED正向电流（IF）的初始值中。 *例如，当占空比（发光持续时间）为50%，工作时间为1000小时，则计算总运行时间为500小时。 左图显示了LED光输出老化变化数据。 右图显示了LED光输出低于某一标准时的运行时间。 例如，左图中的A点和右图中的B点显示了相同条件下的老化变化。（IF＝50mA，Ta＝40℃，8000小时） 如何使用光耦 这些问题将在下一页通过以下步骤进行解释。 第1步：设计LED输入电流IF及输入侧电阻RIN 第2步：根据IF和CTR计算输出电流 第3步：设计输出侧电阻RL 第4步：检查每个设计常数 如何使用光耦“输入电流” 第1步：设计LED输入电流和输入电阻RIN。 光耦的输入电流（IF）是多少？ 它将由（1）输入电源电压（5V），（2）限流电阻（RIN）和（3）LED正向电压（VF）决定。 根据规格示例，确定限流电阻和输入电流（IF）。 RIN＝（VCC-VF）／IF＝（5V-1.3V）／10mA＝370Ω 如何使用光耦“输出电流” 第2步：根据IF和CTR计算光电晶体管的输出电流。 光耦的输出电流（IC）值是多少？ 根据电流传输比（IC／IF）计算输入电流（IF）＝10mA时输出电流（IC）的变化。从IC-IF曲线可以看出IC＝10mA（@IF＝5mA，VCE＝5V，Ta＝25℃）。所以这个样本的CTR是200%, 这与当BL最小时的值相同（200%到600%）。还可以看到IC＝20 mA（@IF＝10 mA、VCE＝5V、Ta＝25℃）。 接下来，我们用这里得到的IC值来推导RL。在这项计算中，设计RL的值，使得VCE即使在IC值最小时也成为饱和电压。 如何使用光耦“输出侧电阻器” 第3步：设计输出侧电阻RL 根据输出晶体管的IC－VCE特性确定RL。为了用于信号传输，必须完全满足连接到负载侧的器件的“L”电平。 这里，我们设置VCE＝0.3V作为目标值。 当RL＝1kΩ时，IF＝10mA，VCE＝0.9V，这无法满足目标值。当RL＝2kΩ时，VCE＝0.2V左右，这可以满足目标值。因此，选择RL＝2kΩ。在实际设计中，还必须考虑负载侧的阻抗。 如何使用光耦检查 第4步：检查每个设计常数 考虑工作温度、速度、使用寿命设计、电阻公差等是否具有足够的裕度。 温度范围 ⇒ VF，CTR，允许电流等。 负载电阻 ⇒ 开关速度，暗电流的影响等。 确认器件使用寿命 光耦的输入LED光输出会随着时间的推移而减弱。 必须确认特性满足要求，同时必须考虑器件在使用寿命目标期间的退化趋势。 光耦的老化变化可以根据输入电流（IF）和环境温度来计算。 文章转载来源网络，仅供学习使用，侵删。
1、概述\x26amp;nbsp; \x26amp;nbsp; \x26amp;nbsp;Aurora 8B/10B协议是一个用于在点对点串行链路间
引言：在高速和射频领域，S参数是一个极其重要的参数，S参数即反射和传输系数，用于衡量高速(RF)器件和传输线之间的阻抗匹配情况。在链路仿真、器件性能评估、设计优化方面使用非常广泛，本节简述S参数相关知识。
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