一文详解汽车操作系统现状

　　在软件定义汽车的大背景下，操作系统无疑是汽车生态发展的灵魂所在。随着汽车电动化、智能化、网联化趋势的加速演进，汽车操作系统已成为车辆不可或缺的关键组成部分，在很大程度上决定了车辆的安全性、舒适度、智能化水平以及整体性能。
　　汽车操作系统全面解析
　　汽车操作系统是运行于异构分布硬件架构上的实时安全平台软件，它提供整车及部件感知、规划、控制等功能框架，向上支撑着智能网联驾驶生态，是汽车智能计算基础平台安全、实时且高效运行的重要基石和支撑。汽车操作系统主要涵盖安全车载操作系统、智能驾驶操作系统和智能座舱操作系统。
　　安全车载操作系统
　　安全车载操作系统主要服务于经典车辆控制领域，如动力系统、底盘系统和车身系统等。这类操作系统对实时性和安全性有着极高的要求，目前其生态发展已趋于成熟。安全车载操作系统以实时操作系统 RTOS 为主，主要应用于 ECU。ECU 对安全车载操作系统的基本要求是具备高实时性，系统需在规定时间内完成资源分配、任务同步等指定动作。嵌入式实时操作系统凭借高可靠性、实时性、交互性以及多路性的优势，系统响应通常在毫秒或者微秒级别，很好地满足了高实时性的要求。目前，主流的安全车载操作系统都兼容 OSEK/VDX 和 Classic AUTOSAR 这两类汽车电子软件标准。其中，Classic 平台基于 OSEK/VDX 标准，明确了安全车载操作系统的技术规范。
　　智能驾驶操作系统
　　随着智能化、网联化技术的飞速发展，智能汽车的感知融合、决策规划和控制执行功能催生了更为复杂的算法，并产生了大量的数据，这就需要更高的计算能力与数据通信能力。基于 OSEK/VDX 和 Classic AUTOSAR 软件架构的安全车载操作系统已难以满足未来自动驾驶汽车的发展需求。为此，AUTOSAR 组织为面向更复杂的域控制器和中央计算平台的集中式电子电气架构推出了 Adaptive AUTOSAR 平台。Adaptive AUTOSAR 采用基于 POSIX 标准的操作系统，为支持 POSIX 标准的操作系统及不同的应用需求提供标准化的平台接口和应用服务，以适应汽车智能化的发展趋势。不过，Adaptive AUTOSAR 目前仍处于发展初期，其生态建设获得 Tier1、主机厂的普遍认可还需时日。智能驾驶操作系统主要面向智能驾驶领域，应用于智能驾驶域控制器，对安全性、可靠性、性能和运算能力都有较高要求。目前，该类操作系统在范围内日趋成熟，但生态尚不完善。
　　智能座舱操作系统
　　智能座舱操作系统主要为汽车信息娱乐服务以及车内人机交互提供控制平台，是实现座舱智能化与多源信息融合的运行环境，对操作系统的实时性与可靠性要求相对较低。主流车型的智能座舱操作系统主要包括 QNX、Linux、Android 等。传统上，QNX 在智能座舱操作系统市场占据了绝大部分份额，但近年来，随着智能座舱的娱乐与信息服务属性日益凸显，开源的 Linux 以及在手机端拥有大量成熟信息服务资源的 Android 得到了众多主机厂的青睐，成为后起之秀。此外，国外少量车型还采用了 Win CE 等作为智能座舱操作系统。随着人们对车辆从单纯交通工具向智能移动终端转变的需求不断增加，智能座舱操作系统需要支持多样化的应用与服务，并具备丰富的生态资源。
　　国内外主流汽车操作系统方案深度剖析
　　随着自动驾驶技术的迅猛发展，汽车对软件尤其是操作系统的变革需求愈发迫切。主机厂、Tier1 供应商和自动驾驶软硬件技术方案提供商纷纷投入大量资源进行汽车操作系统的研发，试图在软件定义汽车的时代抢占先机。以下为你介绍目前国内外主流汽车操作系统的开发和应用情况。
　　特斯拉 Autopilot 自动驾驶软件架构
　　特斯拉作为自动驾驶技术和产业化的领军者，其优势在于以计算平台为，自主研发并于芯片硬件、操作系统、平台软件等领域。特斯拉自动驾驶软件架构基于单一 Linux 内核，打造了一整套自动驾驶的软件方案，实现了从感知、定位、融合、决策、规划到控制的全流程。从公开信息可知，该系统基于 Ubuntu 进行裁剪，对 Linux 内核进行了实时性改造，内核代码也开源在 Github 上。其深度学习框架基于 PyTorch，实时数据处理基于开源流处理平台 Kafka，拥有 48 个独立的神经网络进行多维度数据处理，并且具备强大的 OTA 升级能力。其 FSD（Full Self - Driving）计算平台硬件集成了智能座舱域和自动驾驶域，操作系统通过 OTA 软件升级，充分利用数据、云计算生态，开创了汽车产品价值和服务的新模式。
　　大众中央集中式软件架构
　　大众汽车为加速自动驾驶技术的应用，组建了庞大队伍自主开发汽车操作系统 vw.OS。vw.OS 采用基于 Adaptive AUTOSAR 面向服务的软件架构。大众新一代 EE 架构具有以下设计特点：采用高性能处理器和高速网络；兼容 POSIX 的内核（Linux/QNX 等）+Adaptive AUTOSAR；实现应用软件和 I/O 功能解耦，减少系统复杂性和应用之间的依赖性；能够高效、快速地开发用户功能；采用面向服务的通信方式。
　　华为 MDC 智能驾驶计算平台架构
　　华为 MDC（Mobile Data Center：移动数据中心）定位为智能驾驶的计算平台。该平台集成了华为在 ICT 领域 30 多年的研发与生产制造经验，基于 CPU 与 AI 处理器芯片，搭载智能驾驶 OS，兼容 AUTOSAR，支持 L2~L5 平滑演进，结合配套的完善工具链，客户或生态合作伙伴可开发出针对不同应用场景的智能驾驶应用。华为 MDC 智能驾驶计算平台架构具有诸多特点：提供高度解耦的软硬件解决方案，可独立升级，硬件和软件升级路线分别独立；对主流传感器的适配性良好，支持主流 GNSS、IMU、摄像头、激光雷达和毫米波雷达等传感器的数据接入，且支持摄像头和激光雷达点云的前融合；对主流中间层软件的适配性佳，可兼容 ROS 和 AUTOSAR，支持 Caffe 和 TensorFlow 等常用深度学习框架；华为是业界同时拥有 CPU 与 AI 芯片研发能力的厂家，MDC 平台硬件集成具有 CPU 与 AI 计算能力的强大 SoC 芯片，为智能驾驶提供可扩展的异构算力；功能软件基于 SOA 架构，遵循 AUTOSAR 规范，定义了智能驾驶基本算法组件的调用框架与组件之间的软件接口，上层场景应用可灵活选择不同的算法组件组合，实现具体的场景应用功能。
　　英伟达自动驾驶平台架构
　　英伟达（NVIDIA）是的人工智能计算公司，凭借其先进的硬件芯片开发优势，以高性能安全芯片为，提供完整的硬件平台和基础软件平台。NVIDIA 计算平台硬件目前处于 Xavier 阶段，下一代平台 Orin 已发布但尚未上市。Xavier 是 NVIDIA 首次生产的车规级系统级芯片，采用了六种不同类型的处理器。基于 Xavier 芯片，NVIDIA 提供面向自动驾驶开发的 DRIVE AGX Xavier，算力达到 30 TOPS，适用于 L2 + 和 L3 级自动驾驶；提供的 DRIVE AGX Pegasus 使用两块 Xavier 系统级芯片和两块 Turing GPU，算力达到 320 TOPS，面向 L4 级和 L5 级自动驾驶。NVIDIA Drive 系统软件层融合了第三方 RTOS + AUTOSAR，设有 Hypervisor 层，第三方量产 RTOS 方案通过了 ASIL D 。
　　百度 Apollo 开放平台架构
　　百度 Apollo 是一套软件平台，其依赖的计算平台硬件需采用第三方的 IPC。百度自行研发了两款辅助性硬件 ASU（Apollo 传感器单元）和 AXU（Apollo 扩展单元）。其中，ASU 用于收集各传感器的数据，通过 PCIe 传输至 IPC，IPC 对车辆的控制指令也需通过 ASU 向 CAN 发送；AXU 用于满足额外算力、存储的需求，以 GPU、FPGA 形式接入已有硬件平台。百度 Apollo 具有以下特点：为网联云控（V2X）进行软硬件端到端的开发；很好地融入了云服务，涵盖众多百度自家的其他产品，如基础百度云服务、在线仿真产品、高精度地图、小度助手（Duer OS）等，各产品间相互受益；由于开源，的算法模块在 Github 进行长时间优化后已充分产品化；主要侧重系统软件的开发，包含定制优化的操作系统、系统中间件及算法功能模块，大部分硬件采用第三方方案；产品未涉及 AUTOSAR 架构的额外开发适配，也无需对车辆现有的 ECU/MCU 进行改变。
　　汽车操作系统发展现状洞察
　　安全车载操作系统
　　安全车载操作系统在国外发展较早，目前已开展了一系列标准化工作，国内则主要处于跟随状态。欧洲在 20 世纪 90 年代推出了用于汽车电子上分布式实时控制系统的开放式系统标准 OSEK/VDX，包含操作系统规范、通信规范、网络管理规范、OSEK 实现语言四部分。但随着技术、产品和客户需求的升级，OSEK 标准逐渐无法支持新的硬件平台。2003 年，宝马、博世、大陆、戴姆勒、通用、福特、标志雪铁龙、丰田、大众 9 家企业作为成员，成立了汽车开放系统架构组织（AUTOSAR 组织），致力于建立独立于硬件的分层软件架构标准化平台，制定各种车辆应用接口规范和集成标准，以减少汽车软件设计的复杂度，提高软件的灵活性、开发效率和复用性。AUTOSAR 以 OSEK/VDX 为基础，涉及范围更广。截至目前，AUTOSAR 组织已发布 Classic 和 Adaptive 两个平台规范，分别对应安全控制类和自动驾驶的高性能类。Classic 平台基于 OSEK/VDX 标准，定义了安全车载操作系统的技术规范。其软件架构采用分层设计，实现了应用层、基础软件层和硬件层的解耦。AUTOSAR 标准平台采用开放式架构和纵向分层、横向模块化架构，提高了开发效率、降低了开发成本，同时保障了车辆的安全性与一致性。AUTOSAR 组织发展至今，已得到超过 280 家整车、零部件、软件、硬件等领域成员的认可，成为国际主流的标准软件架构。基于该标准平台，拥有完整汽车软件解决方案的企业主要有 Vector、KPIT、ETAS、DS 以及被大陆收购的 Elektrobit 和被西门子收购的 MentorGraphics。此外，宝马、沃尔沃等汽车厂商都相继推出了基于 AUTOSAR 标准平台的车型。日本汽车软件平台架构组织 JasPar（Japan Automotive Software Platform Architecture）成立于 2004 年，旨在联合企业横向定制兼顾汽车软硬件的通信标准，实现汽车操作系统的通用化，提高基础软件的再利用率。我国主机厂及零配件供应商目前主要使用 Classic AUTOSAR 标准进行软件开发。一汽集团、长安集团等主机厂于 2009 年开始利用该标准的工具进行 ECU 的设计、开发和验证。2011 年 4 月，上汽集团、一汽集团、长安集团、奇瑞集团等主机厂和部分高校成立了 CASA 联盟，致力于在中国推广和发展 AUTOSAR 架构。目前江淮汽车也是主要基于 Classic AUTOSAR 标准进行软件和产品开发。在产品方面，普华软件作为中国电子科技集团的国产操作系统战略平台，承担了汽车电子操作系统的十一五、十二五核高基重大专项，其汽车操作系统在车身控制模块（BCM）、新能源整车控制器（VCU/HCU）、电子转向系统（EPS）等关键零部件得到量产应用，并已被德国博世的先进辅助驾驶系统（ADAS）量产使用。东软睿驰发布的 NeuSAR 产品基于 AUTOSAR 研发，为自主研发自动驾驶系统的 OEM 整车企业及零部件供应商提供面向下一代汽车通讯和计算架构的系统平台，包含 Classic AUTOSAR、Adaptive AUTOSAR 及系列开发系统工具。
　　智能驾驶操作系统
　　智能驾驶操作系统将成为自动驾驶汽车发展的竞争力之一。其发展趋势和特点是纵向分层，以实现层与层之间的解耦，便于快速开发和移植。操作系统负责对硬件提供线程创建等服务；中间件 / 开发框架负责与不同操作系统对接，并为上层应用提供通讯、资源管理等服务；应用 / 功能软件则处理剩余的工作。目前行业普遍采用的智能驾驶操作系统主要是 Linux、QNX 和其他 RTOS（如 FreeRTOS、ThreadX、VxWorks 等）。Linux 初是作为通用操作系统开发的，但具备一定的实时处理支持，包括大部分 POSIX 标准中的实时功能，支持多任务、多线程，拥有丰富的通信机制。Linux 社区还有实时性增强 patch，增加了中断线程化、优先级默认继承等功能，提供符合 POSIX 标准的调度策略，还具备内存锁定功能和实时信号机制。QNX 是商用的遵从 POSIX 规范的类 Unix 实时操作系统，具有分布式、嵌入式、可规模扩展的硬实时特点。其微内核结构是显著特点，内核独立处于保护地址空间，驱动程序、网络协议和应用程序处于程序空间。在底层操作系统之上，软件中间件在智能驾驶领域备受关注。中间件的主要目标是为上层应用提供数据通信、协议对齐、计算调度、模块化封装等常用功能，实现模块解耦和代码复用。其中，AUTOSAR 组织推出的 Adaptive AUTOSAR 架构采用面向服务的架构（SOA），服务可根据应用需求动态加载、配置和更新，能满足更强大的算力需求，更安全、兼容性好，可进行敏捷开发，主要适应于新的集中式高性能计算平台。ROS 作为早开源的机器人软件中间件，在机器人研发领域旨在提高代码复用率，是分布式进程框架，在智能驾驶研究领域应用广泛。ROS 有 ROS1 和 ROS2 两个版本，ROS2 取消了 Master 中央节点，实现节点的分布式发现、发布 / 订阅和请求 / 响应，底层基于 DDS 通信机制，支持多操作系统，但距离完全车规应用仍有差距，部分公司正在进行车规级改造尝试。
　　智能座舱操作系统
　　在智能座舱操作系统领域，目前尚无统一的国际标准，主要由几家国外软件企业主导，包括黑莓的 QNX、基于 Linux 的定制操作系统以及基于 Android 开源项目的操作系统。QNX 是商用的遵从 POSIX 规范的类 Unix 实时操作系统，目标市场为嵌入式系统，具有高运行效率、高可靠性的特点，并有近 40 年的工控领域使用经验，是款通过 ISO 26262 ASIL D 安全的智能座舱操作系统，匹配超过 40 个汽车品牌，应用于 6000 多万辆汽车，市场占有率超过 75%。Linux 功能强大、组件复杂，常用于支持更多应用和接口的信息娱乐系统。协会或联盟致力于将开源 Linux 推广至汽车领域，如 AGL、GENIVI。特斯拉基于 Linux 开发了适配自身车辆的操作系统，阿里的 AliOS 也是基于 Linux 开发，已应用于上汽荣威、上汽名爵等多款车型。2016 年，Linux 基金会赞助的开源车载系统 AGL（Automotive Grade Linux）项目发布 2.0 版本，为汽车软件行业提供智能座舱系统支持。Android 凭借国内丰富的应用生态切入汽车 IVI 系统，虽安全性、稳定性不足，但由于车载信息娱乐系统对安全性要求相对较低，在国内车载信息娱乐系统领域占据主流地位。各大互联网巨头、自主品牌、造车新势力纷纷基于 Android 进行定制化改造，推出了阿里 AliOS、百度小度车载 OS、比亚迪 DiLink、蔚来 NIO OS、小鹏 Xmart OS 等汽车操作系统。