車聯網軟件架構：從面向功能向面向服務的 SOA 演變

• 陳博 2023年10月31日 來源：中研網 801 48
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虛擬化技術實現多操作系統共享一套硬件資源。整車分布式架構向集中式架構的演變，以及大算力芯片的應用，產生軟件安全隔離的需求。其中引入虛擬機的概念，可以將物理服務器的CPU、內存、I/O等硬件資源被虛擬化并接受Hypervisor的調度，使得多個操作系統在Hypervisor的S

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?操作系統跟隨硬件架構的跨域融合趨勢數量在減少，按功能分類可分為車控操作系統、自動駕駛操作系統與智能座艙操作系統。跨域融合方案下，域操作系統正在逐漸形成，傳統操作系統正由獨立的多個操作系統向少數/一個操作系統發展。智能汽車操作系統從功能實現角度來看，大致可分為車控操作系統、自動駕駛操作系統與智能座艙操作系統，其中車控操作系統主要用于實現車身底盤控制、動力系統控制，自動駕駛操作系統主要用于實現自動駕駛功能，智能座艙操作系統主要用于實現車載娛樂信息系統功能以及實現HMI相應功能。操作系統是軟件定義汽車發展基石。智能汽車SOA軟件架構從上而下分別為應用軟件、功能軟件、中間件、底層操作系統(狹義操作系統)、車載芯片軟件(BSP)、虛擬機(Hypervisor)與芯片，其中功能軟件、中間件、底層操作系統、車載芯片軟件與虛擬機組成廣義操作系統，統稱為系統層軟件，是管理和控制智能汽車硬件與軟件資源的底層，提供運行環境、運行機制、通信機制和安全機制等。

底層操作系統是操作系統的內核，提供了最基礎的功能。底層操作系統對內負責協調進程和管理軟硬件資源，對外提供接口實現交互，從根本上決定了系統的性能和穩定性，是系統軟件層的核心。由于開發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與上層應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合，構成平臺軟件，由此聯結上層應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"軟硬件解耦的系統論。應用層可以在任何芯片、任何域控上進行快速移植和部署，硬件也不需要關注對應的接口匹配。目前市場上主流的中間件方案為AUTOSAR，是汽車行業內應用相對成熟的中間件。AUTOSAR中對各功能模塊進行了封裝，并對模塊與模塊之間的接口進行標準化，從而實現汽車軟硬件解耦。ClassicAUTOSAR(AUTOSARCP)方案應用于分布式架構下的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ECU;為支持高級自動駕駛需求，AUTOSAR聯盟推出AdaptiveAUTOSAR(AUTOSARAP)，同時基于機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量增加，數據來源增多，多元異構數據在芯片之間、各任務進程之間的高效、穩定傳遞需要引入通信中間件。SOME/IP與DDS是面向服務的通信協議，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DDS商業版是非車規的，主機廠需要進行二次開發。自動駕駛與智能座艙領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，主機廠可基于此進行二次開發，而智能座艙目前還沒有形成嚴格行業標準與主流方案。百花齊放的行業狀態也為本土中間件企業帶來了發展機遇，本土企業可以根據客戶的需求進行定制化開發，滿足大多數主機廠目前的"自研"需求，同時定價也更加靈活，具有快速響應優勢和本土溝通的優勢。

虛擬化技術實現多操作系統共享一套硬件資源。整車分布式架構向集中式架構的演變，以及大算力芯片的應用，產生軟件安全隔離的需求。其中引入虛擬機的概念，可以將物理服務器的CPU、內存、I/O等硬件資源被虛擬化并接受Hypervisor的調度，使得多個操作系統在Hypervisor的協調下可以共享同一套硬件資源，同時每個操作系統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備信號的處理和控制，虛擬機管理的概念被引入智能座艙操作系統，在單個Soc芯片上允許符合車規級安全標準的QNX、Linux、安卓系統共同運行。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的安全合規水平以及預認證水平的管理程序，應用到量產車型。

廣義操作系統通過對底層操作系統進行不同程度的改造，形成三類操作系統。智能汽車SOA軟件架構中的功能軟件、中間件、底層操作系統、車載芯片軟件與虛擬機組成廣義操作系統。廣義操作系統按照對底層操作系統的改造程度可分為基礎操作系統、定制型操作系統與ROM型操作系統：①基礎型操作系統包括系統內核、底層驅動等，提供操作系統最基本的功能，負責管理系統的進程、內存、設備驅動程序、文件和網絡系統，決定著系統的性能和穩定性;目前底層操作系統為開源框架，暫不受版權和知識產權的影響，一般不屬于企業考慮開發的技術范圍。②定制版操作系統則是在基礎型操作系統之上進行深度定制化開發，如修改內核、硬件驅動、運行時環境、應用程序框架等，屬于自主研發的獨立操作系統。③ROM型操作系統是基于Linux或安卓等基礎型操作系統進行有限的定制化開發，不涉及系統內核更改，一般只修改更新操作系統自帶的應用程序等。大部分的主機廠一般都選擇開發ROM型操作系統，國外主機廠多選用Linux作為底層操作系統，國內主機廠則偏好Android應用生態。

底層操作系統應用上，智能座艙以QNX、Linux、Android為主，智能駕駛以Linux為主。在智能座艙領域，得益于Linux與Android開源特性，其廣泛應用于車載信息娛樂系統，QNX由于其穩定性與安全性更多的應用于車載儀表盤。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、激光雷達、攝像頭等，因此涉及大量數據的處理，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受到廣泛應用。

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