車聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)：從面向功能向面向服務(wù)的 SOA 演變

• 陳博 2023年10月31日 來源：中研網(wǎng) 801 48
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虛擬化技術(shù)實現(xiàn)多操作系統(tǒng)共享一套硬件資源。整車分布式架構(gòu)向集中式架構(gòu)的演變，以及大算力芯片的應(yīng)用，產(chǎn)生軟件安全隔離的需求。其中引入虛擬機(jī)的概念，可以將物理服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、I/O等硬件資源被虛擬化并接受Hypervisor的調(diào)度，使得多個操作系統(tǒng)在Hypervisor的S

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?操作系統(tǒng)跟隨硬件架構(gòu)的跨域融合趨勢數(shù)量在減少，按功能分類可分為車控操作系統(tǒng)、自動駕駛操作系統(tǒng)與智能座艙操作系統(tǒng)?？缬蛉诤戏桨赶拢虿僮飨到y(tǒng)正在逐漸形成，傳統(tǒng)操作系統(tǒng)正由獨立的多個操作系統(tǒng)向少數(shù)/一個操作系統(tǒng)發(fā)展。智能汽車操作系統(tǒng)從功能實現(xiàn)角度來看，大致可分為車控操作系統(tǒng)、自動駕駛操作系統(tǒng)與智能座艙操作系統(tǒng)，其中車控操作系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)車身底盤控制、動力系統(tǒng)控制，自動駕駛操作系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)自動駕駛功能，智能座艙操作系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)車載娛樂信息系統(tǒng)功能以及實現(xiàn)HMI相應(yīng)功能。操作系統(tǒng)是軟件定義汽車發(fā)展基石。智能汽車SOA軟件架構(gòu)從上而下分別為應(yīng)用軟件、功能軟件、中間件、底層操作系統(tǒng)(狹義操作系統(tǒng))、車載芯片軟件(BSP)、虛擬機(jī)(Hypervisor)與芯片，其中功能軟件、中間件、底層操作系統(tǒng)、車載芯片軟件與虛擬機(jī)組成廣義操作系統(tǒng)，統(tǒng)稱為系統(tǒng)層軟件，是管理和控制智能汽車硬件與軟件資源的底層，提供運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行機(jī)制、通信機(jī)制和安全機(jī)制等。

底層操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的內(nèi)核，提供了最基礎(chǔ)的功能。底層操作系統(tǒng)對內(nèi)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)進(jìn)程和管理軟硬件資源，對外提供接口實現(xiàn)交互，從根本上決定了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，是系統(tǒng)軟件層的核心。由于開發(fā)難度大且安全性要求最高，市場競爭格局主要以QNX、Linux、Android為主。

中間件是介于底層操作系統(tǒng)與上層應(yīng)用程序之間的軟件模塊，目前自動駕駛與智能座艙的中間件正處于百花齊放的時期。中間件可以簡單地理解成中間層軟件，它和底層軟件緊密結(jié)合，構(gòu)成平臺軟件，由此聯(lián)結(jié)上層應(yīng)用層算法和下層硬件(如芯片、傳感器等)。通過平臺軟件，可以實踐"軟件定義汽車"軟硬件解耦的系統(tǒng)論。應(yīng)用層可以在任何芯片、任何域控上進(jìn)行快速移植和部署，硬件也不需要關(guān)注對應(yīng)的接口匹配。目前市場上主流的中間件方案為AUTOSAR，是汽車行業(yè)內(nèi)應(yīng)用相對成熟的中間件。AUTOSAR中對各功能模塊進(jìn)行了封裝，并對模塊與模塊之間的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而實現(xiàn)汽車軟硬件解耦。ClassicAUTOSAR(AUTOSARCP)方案應(yīng)用于分布式架構(gòu)下的MCU上，擁有更高的功能安全與實時性，適用于動力、制動等傳統(tǒng)ECU;為支持高級自動駕駛需求，AUTOSAR聯(lián)盟推出AdaptiveAUTOSAR(AUTOSARAP)，同時基于機(jī)器人軟件中間件打造的ROS(2.0)中間件方案也可以用于高級自動駕駛。同時隨著傳感器的數(shù)量增加，數(shù)據(jù)來源增多，多元異構(gòu)數(shù)據(jù)在芯片之間、各任務(wù)進(jìn)程之間的高效、穩(wěn)定傳遞需要引入通信中間件。SOME/IP與DDS是面向服務(wù)的通信協(xié)議，都可以共存于AUTOSARAP中，其中SOME/IP相對閉源，DDS可以用于開源商用，但大多數(shù)DDS商業(yè)版是非車規(guī)的，主機(jī)廠需要進(jìn)行二次開發(fā)。自動駕駛與智能座艙領(lǐng)域的中間件目前正處于百花齊放時期，自動駕駛中間件有AUTOSARAP、DDS、ROS(2.0)三種主流方案，主機(jī)廠可基于此進(jìn)行二次開發(fā)，而智能座艙目前還沒有形成嚴(yán)格行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與主流方案。百花齊放的行業(yè)狀態(tài)也為本土中間件企業(yè)帶來了發(fā)展機(jī)遇，本土企業(yè)可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行定制化開發(fā)，滿足大多數(shù)主機(jī)廠目前的"自研"需求，同時定價也更加靈活，具有快速響應(yīng)優(yōu)勢和本土溝通的優(yōu)勢。

虛擬化技術(shù)實現(xiàn)多操作系統(tǒng)共享一套硬件資源。整車分布式架構(gòu)向集中式架構(gòu)的演變，以及大算力芯片的應(yīng)用，產(chǎn)生軟件安全隔離的需求。其中引入虛擬機(jī)的概念，可以將物理服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、I/O等硬件資源被虛擬化并接受Hypervisor的調(diào)度，使得多個操作系統(tǒng)在Hypervisor的協(xié)調(diào)下可以共享同一套硬件資源，同時每個操作系統(tǒng)又可以保存彼此的獨立性。以智能座艙為例，一個座艙SoC芯片可以完成對多個座艙電子設(shè)備信號的處理和控制，虛擬機(jī)管理的概念被引入智能座艙操作系統(tǒng)，在單個Soc芯片上允許符合車規(guī)級安全標(biāo)準(zhǔn)的QNX、Linux、安卓系統(tǒng)共同運(yùn)行。目前常見的Hypervisor包括QNXHypervisor、英特爾的ACRN、Mobica的XEN、大陸L4RE等，其中QNXHypervisor是唯一通過ASILD的安全合規(guī)水平以及預(yù)認(rèn)證水平的管理程序，應(yīng)用到量產(chǎn)車型。

廣義操作系統(tǒng)通過對底層操作系統(tǒng)進(jìn)行不同程度的改造，形成三類操作系統(tǒng)。智能汽車SOA軟件架構(gòu)中的功能軟件、中間件、底層操作系統(tǒng)、車載芯片軟件與虛擬機(jī)組成廣義操作系統(tǒng)。廣義操作系統(tǒng)按照對底層操作系統(tǒng)的改造程度可分為基礎(chǔ)操作系統(tǒng)、定制型操作系統(tǒng)與ROM型操作系統(tǒng)：①基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)包括系統(tǒng)內(nèi)核、底層驅(qū)動等，提供操作系統(tǒng)最基本的功能，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性;目前底層操作系統(tǒng)為開源框架，暫不受版權(quán)和知識產(chǎn)權(quán)的影響，一般不屬于企業(yè)考慮開發(fā)的技術(shù)范圍。②定制版操作系統(tǒng)則是在基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)之上進(jìn)行深度定制化開發(fā)，如修改內(nèi)核、硬件驅(qū)動、運(yùn)行時環(huán)境、應(yīng)用程序框架等，屬于自主研發(fā)的獨立操作系統(tǒng)。③ROM型操作系統(tǒng)是基于Linux或安卓等基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)進(jìn)行有限的定制化開發(fā)，不涉及系統(tǒng)內(nèi)核更改，一般只修改更新操作系統(tǒng)自帶的應(yīng)用程序等。大部分的主機(jī)廠一般都選擇開發(fā)ROM型操作系統(tǒng)，國外主機(jī)廠多選用Linux作為底層操作系統(tǒng)，國內(nèi)主機(jī)廠則偏好Android應(yīng)用生態(tài)。

底層操作系統(tǒng)應(yīng)用上，智能座艙以QNX、Linux、Android為主，智能駕駛以Linux為主。在智能座艙領(lǐng)域，得益于Linux與Android開源特性，其廣泛應(yīng)用于車載信息娛樂系統(tǒng)，QNX由于其穩(wěn)定性與安全性更多的應(yīng)用于車載儀表盤。自動駕駛相比于智能座艙需要引入大量的車外的傳感器，如毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等，因此涉及大量數(shù)據(jù)的處理，對底層OS的開放性要求更高，QNX開放程度不夠，而Linux的開放性較高，因此Linux受到廣泛應(yīng)用。

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