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車用操作系統(tǒng)技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

汪志鴻 馬天澤 陳炳全

一、車用操作系統(tǒng)架構概述

車用操作系統(tǒng)與芯片、傳感器等物理硬件共同組成車載基礎軟硬件平臺，是實現(xiàn)智能駕駛、智能座艙、安全車控功能的基礎。按上述功能劃分，車載基礎軟件平臺可以分為智能駕駛、智能座艙、安全車控等三個軟件平臺，分別由智能駕駛操作系統(tǒng)、智能座艙操作系統(tǒng)、安全車控操作系統(tǒng)以及相應的配套工具鏈組成。

智能駕駛和智能座艙操作系統(tǒng)按架構自下而上均可分為系統(tǒng)軟件和功能軟件。其中，系統(tǒng)軟件可以分為硬件抽象層、內核和中間件；功能軟件可以分為AI和視覺模塊、傳感器模塊、聯(lián)網模塊、云控模塊、自動駕駛通用框架模塊等。安全車控操作系統(tǒng)是指面向傳統(tǒng)車輛控制，基于OSEK OS（汽車電子開放式系統(tǒng)及接口）和AUTOSAR CP（傳統(tǒng)汽車開放架構平臺）構建，實現(xiàn)車身、動力、底盤系統(tǒng)等控制功能。車用操作系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 車用操作系統(tǒng)架構

車用操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)軟件不僅為上層應用以及功能的實現(xiàn)提供了高效、穩(wěn)定的環(huán)境支持，也是各類應用調度底層硬件資源的“橋梁”，在智能汽車整體軟件架構中處于基石位置。本文將重點介紹系統(tǒng)軟件。

二、系統(tǒng)軟件技術發(fā)展現(xiàn)狀

系統(tǒng)軟件是針對汽車場景定制的復雜大規(guī)模嵌入式系統(tǒng)運行環(huán)境，主要包含硬件抽象層、內核、中間件三層。

(一）硬件抽象層

1.概念

硬件抽象層是內核與硬件之間的接口層，目的是為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺，使操作系統(tǒng)與硬件解耦，實現(xiàn)多硬件平臺間的移植。虛擬硬件平臺由虛擬機（簡稱VM）和虛擬機監(jiān)視器（簡稱Hypervisor）構成，操作系統(tǒng)在VM上運行，并通過Hypervisor進行調度。

虛擬機是指通過軟件模擬完整的硬件系統(tǒng)功能，實現(xiàn)操作系統(tǒng)運行在一個完全隔離環(huán)境中。在物理硬件中能夠完成的工作都能夠在虛擬機中實現(xiàn)。

Hypervisor是指一種運行在物理硬件和虛擬機之間的中間層軟件，可以允許多個虛擬機和應用共享一套基礎物理硬件，用于協(xié)調訪問物理設備和虛擬機，所以又稱為虛擬機監(jiān)視器。Hypervisor主要有兩種，Type 1（裸機類型）和Type 2（寄居類型），Type 1類型的Hypervisor直接運行在物理硬件之上，可直接訪問物理硬件并管理所有硬件資源，在延時、安全性和效率上更勝一籌，但此類型Hypervisor需要硬件支持，移植難度大，開發(fā)成本也較高；Type 2類型的Hypervisor運行在某個操作系統(tǒng)之上，通過操作系統(tǒng)訪問物理硬件，因此在延時方面具有不可避免的劣勢，并且底層操作系統(tǒng)的任何問題都將危及其上的虛擬機，因此安全性方面相對較弱，但是移植難度小，開發(fā)成本低。Type 1和Type 2架構如圖2所示。

2.典型虛擬監(jiān)視器

Hypervisor目前主要應用于智能座艙操作系統(tǒng)，未來將逐步向智能駕駛操作系統(tǒng)擴展。在智能座艙操作系統(tǒng)中，娛樂和智能交互等模塊與儀表顯示等模塊對實時性、安全性、穩(wěn)定性要求不同，需要在一顆SOC芯片上運行兩種或多種操作系統(tǒng)。因此，目前主流Hypervisor方案選擇Type 1型，保障操作系統(tǒng)之間互不干擾，提升操作系統(tǒng)安全性。典型虛擬監(jiān)視器包括QNX Hypervisor、ACRN Hypervisor、Mentor Hypervisor等，均為基于Type 1型的虛擬管理程序。各類Hypervisor對比如表1所示。

3.國內外虛擬監(jiān)視器市場格局

近幾年涌入車載Hypervisor領域的企業(yè)非常多，以國外企業(yè)為主，主要產品包括加拿大黑莓公司的QNX Hypervisor、英國XenSource公司的Xen Hypervisor、日本松下旗下子公司的OpenSynergy、Linux基金會的ACRN Hypervisor、美國Mentor Graphics公司Mentor Hypervisor等。其中，QNX Hypervisor是目前唯一應用到量產車型且功能安全等級達到ISO 26262 ASIL-D級的虛擬抽象層產品，并支持高通、恩智浦、德州儀器等廠商的芯片。同時，黑莓與博世等多家Tier 1（一級汽車供應商）廠商建立了合作伙伴關系，推廣其Hypervisor產品。此外，高通在Snapdragon Ride自動駕駛軟件堆棧中也選擇了QNX Hypervisor 2.0版本產品。

國內Hypervisor發(fā)展相對落后，2017年中科創(chuàng)達、誠邁科技入選黑莓VAI計劃，作為合作伙伴可以使用黑莓的嵌入式技術，開發(fā)集成服務、安全關鍵型解決方案。阿里斑馬智行在自研虛擬機監(jiān)控技術AliOS Hypervisor。中興通訊自研Hypervisor產品，并已實現(xiàn)量產裝車應用。

(二）車用操作系統(tǒng)內核

內核是操作系統(tǒng)的核心部分，提供內存管理、文件管理、CPU調度管理、輸入輸出管理等功能，管理系統(tǒng)的各種資源。內核可以按照內核結構、實時性以及對內核改造程度三個維度進行分類，按照內核結構劃分，分為微內核和宏內核；按照實時性劃分，分為實時操作系統(tǒng)和分時操作系統(tǒng)；按照對內核改造程度劃分，分為基礎型、定制型和ROM型。

1.概念

(1）微內核與宏內核

微內核的內核服務和用戶服務在不同的地址空間中實現(xiàn)，應用程序和硬件的通信通過內核進程和內存管理實現(xiàn)。微內核具備較強的魯棒性(系統(tǒng)在不確定性的擾動下，具有保持某種性能不變的能力)，可移植性強且易于擴展。由于用戶服務獨立于內核服務，任何用戶服務的崩潰都不會影響到內核服務。此外，每次添加一個功能，只需要建立一個新的服務到用戶空間當中，不需對內核空間作任何的修改。但缺點是用戶服務和內核服務之間交互流程較長，執(zhí)行速度相對較慢。目前，微內核架構多用于儀表顯示、智能網關、監(jiān)控其他操作系統(tǒng)等安全等級要求較高的領域。

宏內核中的內核服務和用戶服務在同一地址空間中，執(zhí)行速度比微內核快，缺點在于當內核中的某個服務崩潰時，會影響其他內核服務，進而導致內核崩潰。此外，添加新的功能意味著內核中的各個模塊都需要做相應的修改，導致內核擴展性較弱。目前，在車用操作系統(tǒng)中，宏內核架構多用于智能駕駛、人車交互等算力要求較高的領域。微內核與宏內核特點如表2所示。

(2）實時操作系統(tǒng)與分時操作系統(tǒng)

實時操作系統(tǒng)是指外界事件或數據產生時，能及時接受并快速處理，在規(guī)定時間內完成對應的功能響應，并控制協(xié)調所有實時任務運行的操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)具有高實時性和高可靠性的特點，主要應用于汽車電控領域，實現(xiàn)車輛行駛過程中的車身控制，包括動力控制、剎車控制等。

分時操作系統(tǒng)是指同時為多個用戶提供服務的操作系統(tǒng)，可以對每個用戶快速響應，并提供交互能力。分時操作系統(tǒng)一般采用時間片輪轉的方式，輪流為多個終端用戶程序使用，具有多路性、獨立性、及時性、交互性的特點。分時操作系統(tǒng)具有縮短系統(tǒng)平均響應時間、提高吞吐率、以及處理更多用戶請求及服務的優(yōu)點，主要應用于人車交互、信息娛樂、導航等領域，實現(xiàn)駕駛輔助、碰撞檢測、自動泊車等功能。實時操作系統(tǒng)與分時操作系統(tǒng)特點如表3所示。

(3）基礎型、定制型和ROM型

基礎型僅包括系統(tǒng)內核、底層驅動等，賦予車用操作系統(tǒng)最基本的功能，負責管理系統(tǒng)的內存、進程、驅動和網絡系統(tǒng)等，決定整個操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

定制型操作系統(tǒng)是對基礎操作系統(tǒng)進行深度定制化開發(fā)，如修改內核、硬件驅動、運行環(huán)境、應用程序框架等。一般由國內外頭部車企或者互聯(lián)網公司開發(fā)，內核改動成本高昂，技術水平要求高，需要有相當的研發(fā)實力。

ROM型操作系統(tǒng)是基于基礎型操作系統(tǒng)進行有限定制化開發(fā)，不涉及系統(tǒng)內核修改，一般只修改更新操作系統(tǒng)自帶的應用組件程序等。

2.典型系統(tǒng)內核

目前，主流基礎型操作系統(tǒng)內核包括QNX、Linux、Vxworks等。但由于QNX代碼封閉、Vxworks易用性和易擴展性較低，各軟件開發(fā)企業(yè)大多選擇開源Linux操作系統(tǒng)或微內核進行定制化開發(fā)的技術路線，實現(xiàn)智能駕駛或智能座艙的功能，如特斯拉基于Linux內核定制開發(fā)的Version操作系統(tǒng)、谷歌基于Linux內核定制開發(fā)并開放源代碼的Android Automotive操作系統(tǒng)、華為基于微內核的鴻蒙操作系統(tǒng)。此外，由于ROM型操作系統(tǒng)開發(fā)難度較低，各整車企業(yè)往往選擇該技術路線，如寶馬BMW OS、小鵬Xmart OS、蔚來NIO OS。三類基礎型操作系統(tǒng)內核對比如表4所示。

3.國內外系統(tǒng)內核市場格局

目前主流基礎型操作系統(tǒng)均為國外企業(yè)或社區(qū)開發(fā)，國內雖然有華為、中興、阿里斑馬智行等自研微內核架構的基礎型操作系統(tǒng)，但普及率不高。根據CSDN數據，QNX市場占有率最高，目前全球有超過230種車型使用QNX操作系統(tǒng)，覆蓋全球主要汽車品牌。Linux市場占有率位居第二，2014年Linux基金會推出汽車級Linux，AGL（Automotive Grade Linux，開源車載系統(tǒng)），豐田、戴姆勒、福特、本田等知名車企均參與AGL項目開發(fā)。美國風河公司Vxworks主要應用于發(fā)動機控制領域，合作的品牌包括博世、寶馬、福特、大眾等。微軟曾與許多整車企業(yè)合作，但隨著微軟在智能手機領域的節(jié)節(jié)敗退，車載等細分市場的營收無法支撐起龐大的研發(fā)投入，因此WinCE已基本退出了車用領域。全球車載操作系統(tǒng)內核市場競爭格局如圖3所示。

對于車企而言，自研操作系統(tǒng)內核成本高，更多是在現(xiàn)有內核的基礎上開發(fā)。當前，無論是百度、特斯拉，還是一些自動駕駛初創(chuàng)公司和整車企業(yè)，所謂的自研操作系統(tǒng)，都是指在QNX、Linux等基礎型內核之上進行開發(fā)，并自研中間件和應用軟件。車企在選擇操作系統(tǒng)內核時，主要考慮安全性、可靠性、開放性、可擴展性、易用性及成本等因素，再結合自身需求及能力體系來做權衡。例如，實時性、安全性好的實時操作系統(tǒng)QNX、RT Linux 等，車企會優(yōu)先考慮運用到對實時性、功能安全要求更高的駕駛域。而對應用生態(tài)豐富度要求高的座艙域，車企可以在Linux、Android等開放性好的內核基礎上打造座艙域操作系統(tǒng)。

目前較為成熟的操作系統(tǒng)為特斯拉Version操作系統(tǒng)和谷歌Android Automotive操作系統(tǒng)。其中，Version OS包含智能座艙、智能駕駛和安全車控三類操作系統(tǒng)，可以不再依賴于軟件供應商，而是自己掌握堆棧開發(fā)，一旦發(fā)現(xiàn)問題即可通過OTA（空中下載技術）進行快速修正與升級，提升用戶體驗。而Android Automotive操作系統(tǒng)憑借著應用生態(tài)豐富、開源靈活、可移植性強的特點，有利于互聯(lián)網廠商切入車用智能座艙操作系統(tǒng)領域，快速建立起車載軟件生態(tài)。

國內企業(yè)中，華為鴻蒙、百度Apollo、阿里斑馬智行AliOS等操作系統(tǒng)發(fā)展較為迅速，均已實現(xiàn)量產，其中鴻蒙操作系統(tǒng)在比亞迪漢、問界M5、北汽極狐阿爾法等車型應用。Apollo操作系統(tǒng)在奇瑞EXEED星途TX實現(xiàn)應用，并搭載在第五代L4級自動駕駛車型Apollo Moon上。AliOS在上汽智己L7實現(xiàn)量產。上汽、長安、東風、比亞迪等整車企業(yè)也相繼開展了深度定制智能駕駛操作系統(tǒng)或智能座艙操作系統(tǒng)的自研工作。中興通訊、中汽創(chuàng)智等在智能駕駛操作系統(tǒng)、智能座艙操作系統(tǒng)、安全車控操作系統(tǒng)均有布局，其中，中興通訊推出基于自研微內核操作系統(tǒng)和Safety Linux的雙內核智能駕駛操作系統(tǒng)解決方案，兼顧智能駕駛場景下功能安全要求和豐富生態(tài)支持要求；中汽創(chuàng)智自研基于微內核架構的實時操作系統(tǒng)。國內芯片企業(yè)地平線等基于自產芯片架構也開展了智能駕駛操作系統(tǒng)的自主研發(fā)。

(三）中間件

1.概念

中間件作為存在于操作系統(tǒng)和功能軟件之間的一些中間層軟件，將操作系統(tǒng)提供的接口重新封裝，并添加一些實用功能，以給功能軟件提供更好的服務。隨著電子電氣架構逐漸趨于集中化，汽車軟件系統(tǒng)出現(xiàn)了多種操作系統(tǒng)并存的局面，這也導致系統(tǒng)的復雜性和開發(fā)成本的劇增。為了提高軟件的管理性、移植性、裁剪性和質量，需要重新定義一套架構，統(tǒng)一與內外部開發(fā)環(huán)境交互的規(guī)則，解決分布式環(huán)境下的數據傳輸、數據訪問、應用調度、系統(tǒng)構建和系統(tǒng)集成、流程管理等問題，建立分布式環(huán)境下支撐應用開發(fā)、運行和集成的平臺，實現(xiàn)操作系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。

2.典型中間件

目前，主流中間件是由全球汽車制造商、零部件供應商以及各種研究、服務機構共同參與制定的AUTOSAR汽車開放架構，擁有CP（Classic Platform）和AP（Adaptive Platform）兩大平臺。CP架構是針對傳統(tǒng)車輛控制OSEK標準的嵌入式系統(tǒng)的解決方案，主要應用在算力要求較低的場景中，如引擎控制、制動等傳統(tǒng)ECU（電子控制單元）。AP架構是由CP架構演化而來，時延在毫秒級，主要應用在算力要求更高的場景中，如高級輔助駕駛系統(tǒng)、自動駕駛，以及在動態(tài)部署方面追求較高自由度的信息娛樂場景。AUTOSAR作為一套標準，在實際應用中，Tier 1廠商會基于安全車控ECU模塊中的MCU芯片，將OSEK OS作為AUTOSAR CP平臺的底層組件，構建安全車控操作系統(tǒng)，實現(xiàn)車身、動力、底盤系統(tǒng)等控制功能。AUTOSAR CP與AP情況如表5所示。

隨著智能駕駛技術的不斷發(fā)展，ROS 2（機器人操作系統(tǒng)）作為能夠支持Linux、Windows、Mac、RTOS等操作系統(tǒng)的實時系統(tǒng)，已逐漸應用于自動駕駛中間件中。AUTOSAR AP與ROS 2對比如表6所示。

表6 AUTOSAR AP和ROS 2對比

3.國內外中間件市場格局

目前中間件開發(fā)的參與者眾多，多個標準并行。從競爭格局看，整車企業(yè)、傳統(tǒng)Tier1廠商、平臺供應商、汽車電子廠商及第三方軟件供應商在中間件領域均有所布局。其中AUTOSAR是目前最常見和最常用的中間件方案，如果想完全實現(xiàn)AUTOSAR，需要購買德國維克多、易特馳和芬蘭伊萊比特等Tier1的AUTOSAR工具鏈，其中易特馳產品可兼容 AUTOSAR與ROS 2架構。

國內有多家企業(yè)從事AUTOSAR中間件的開發(fā)，包括東軟睿馳、經緯恒潤、普華基礎軟件、華為、阿里斑馬智行等。此外，百度Apollo、東風汽車等分別基于自研的生態(tài)進行開發(fā)。

三、車用操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢

從整車電子電氣架構技術發(fā)展看，由博世公司提出的分階段、分步驟從分布式向集中式發(fā)展的趨勢已經形成，相應框架已經得到業(yè)界廣泛認可。當前汽車電子電氣架構正逐步邁入跨域集中式階段，顯著特點是“域融合、區(qū)集中”，即車端功能逐步向幾個主要功能域融合，傳感器執(zhí)行器等逐步通過區(qū)域控制器做區(qū)域集中化接入。未來，隨著電子電氣架構向中央計算平臺的進一步演進，硬件架構會越來越集中到一個或幾個有限的、算力更加強大的計算單元上，智能駕駛、座艙、車身功能域將出現(xiàn)計算平臺融合的發(fā)展趨勢，因此基于Hypervisor的宏內核和微內核融合架構的復雜車用操作系統(tǒng)應用會越來越廣泛。

在安全車控操作系統(tǒng)領域，由于功能安全等級要求較高，仍大量使用基于MCU的高實時性高確定性的操作系統(tǒng)（如OSEK/VDX OS），這些系統(tǒng)通常和AUTOSAR CP平臺綁定在一起，因MCU硬件能力的限制，該內核系統(tǒng)技術本身發(fā)展空間非常有限。目前，基于微內核的RTOS實時系統(tǒng)已經有支持 ASIL-D級功能安全等級的產品出現(xiàn)，未來將會在安全車控領域起到越來越重要的作用。

在智能駕駛操作系統(tǒng)領域，能夠滿足高功能安全等級和高性能要求的微內核實時操作系統(tǒng)將被廣泛應用。與此同時，為滿足機器學習和視覺AI算法的操作系統(tǒng)層接口要求，基于宏內核的安全操作系統(tǒng)也將被逐漸引入，與RTOS一起構筑軟件功能安全島，在支撐AI算法豐富接口要求的同時，滿足智能駕駛要求的功能安全等級。此外，宏內核系統(tǒng)將不斷進行內核的裁剪優(yōu)化，采用ISO 26262形式化或半形式化方法完成正向設計和驗證，以滿足高功能安全等級和高可靠性的智能駕駛場景要求。

在智能座艙操作系統(tǒng)領域，除了自身要實現(xiàn)復雜的人車交互和多媒體娛樂等服務外，還需要支持和外部功能域之間的大量交互（如車云一體服務需求），但大部分屬于軟實時系統(tǒng)，對功能安全等級要求相比安全車控和智能駕駛應用要低。從技術能力上看，宏內核系統(tǒng)和微內核系統(tǒng)都可以勝任此類應用，業(yè)界主要根據相應產品的應用服務框架支持能力和生態(tài)環(huán)境的成熟度進行選擇。在中控和儀表分離的智能座艙解決方案當中，功能安全等級要求較高的虛擬儀表主要選擇QNX系統(tǒng)，也有少數采用Linux宏內核的方案，而中控娛樂系統(tǒng)則選擇Android較多。

課題組成員：汪志鴻 于德營 馬天澤

陳炳全 李宗陽 李紅燕