汪志鴻，于德營，馬天澤，陳炳全，李宗陽，李紅燕

（中國國際工程咨詢有限公司高技術(shù)業(yè)務(wù)部，北京 100048）

1 車用操作系統(tǒng)架構(gòu)概述

車用操作系統(tǒng)與傳感器、控制器、執(zhí)行器等物理硬件共同組成車載基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)智能駕駛、智能座艙、安全車控的基礎(chǔ)。車用操作系統(tǒng)是汽車物理硬件與軟件資源的管理控制程序，同時(shí)也是車載基礎(chǔ)軟件平臺(tái)的基石，主要包括5 個(gè)方面的管理功能，分別為：進(jìn)程與處理機(jī)管理、作業(yè)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理。在硬件層面，新能源汽車的硬件架構(gòu)將向域集中式、中央計(jì)算架構(gòu)轉(zhuǎn)變，集中到有限的幾個(gè)乃至一個(gè)算力強(qiáng)大的計(jì)算單元上，實(shí)現(xiàn)智能駕駛、智能座艙、安全車控等功能。在軟件層面，汽車軟件將由過去的嵌入式開發(fā)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿珬ｉ_發(fā)模式，作為連接和統(tǒng)一管理硬件、軟件和用戶的核心樞紐，完成資源調(diào)度［1］。車用操作系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)智能駕駛、智能座艙、安全車控等功能，須同步研發(fā)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)及相應(yīng)配套工具鏈，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算、分布管理，完成多個(gè)硬件之間的資源調(diào)度。未來，車用操作系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)智能駕駛、交互娛樂、車路云協(xié)同等功能的軟件載體，將成為汽車智能化發(fā)展的重要支撐。

智能駕駛和智能座艙操作系統(tǒng)按架構(gòu)自下而上均可分為系統(tǒng)軟件和功能軟件。其中，系統(tǒng)軟件按架構(gòu)自下而上可以分為硬件抽象層、內(nèi)核和中間件；功能軟件可以分為自動(dòng)駕駛通用框架模塊、網(wǎng)聯(lián)模塊、云控模塊等［2］。安全車控操作系統(tǒng)主要面向傳統(tǒng)車輛控制，基于OSEK OS 和Autosar CP 構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)車身、動(dòng)力、底盤系統(tǒng)等控制功能。車用操作系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車用操作系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 硬件抽象層

2.1.1 概念

硬件抽象層是內(nèi)核與硬件之間的接口層，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)與硬件解耦以及多硬件平臺(tái)間的移植。虛擬硬件平臺(tái)由VM（虛擬機(jī)）和Hypervisor（虛擬監(jiān)視器）構(gòu)成，操作系統(tǒng)在VM上運(yùn)行，并通過Hypervisor進(jìn)行調(diào)度。

VM是指通過軟件模擬完整的硬件功能，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)在完全隔離環(huán)境中運(yùn)行。虛擬機(jī)可以實(shí)現(xiàn)物理硬件的所有工作內(nèi)容。

Hypervisor 是指運(yùn)行在物理硬件和虛擬機(jī)之間的中間層軟件，協(xié)調(diào)訪問物理設(shè)備和虛擬機(jī)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬機(jī)共享一套物理硬件。Hypervisor 分為Type 1（裸機(jī)型）和Type 2（寄居型）。Type 1 型的Hypervisor直接運(yùn)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(shí)、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 型的Hypervisor運(yùn)行在某個(gè)操作系統(tǒng)之上，通過操作系統(tǒng)訪問物理硬件，移植難度小，開發(fā)成本低，但存在延時(shí)較高的問題，且底層操作系統(tǒng)若出現(xiàn)問題將直接影響Hypervisor，因此安全性相對(duì)較弱［2］。Type 1 和Type 2架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Hypervisor Type 1型和Type 2型架構(gòu)

2.1.2 典型虛擬監(jiān)視器

Hypervisor目前主要應(yīng)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(kuò)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(duì)實(shí)時(shí)性、安全性、穩(wěn)定性要求不同，需要在一顆芯片上運(yùn)行多種操作系統(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Type 1 型。各類Hypervisor 對(duì)比如表1所示。

表1 各個(gè)Hypervisor對(duì)比表

2.1.3 國內(nèi)外虛擬監(jiān)視器市場格局

近幾年涌入車載Hypervisor領(lǐng)域的企業(yè)非常多，以國外企業(yè)為主，主要產(chǎn)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(huì)的ACRN Hypervisor、美國Mentor Graphics 公司的Mentor Hypervisor 等。其中，QNX Hypervisor 是目前唯一應(yīng)用到量產(chǎn)車型且功能安全等級(jí)達(dá)到 ASIL-D 級(jí)的產(chǎn)品，支持恩智浦、高通等頭部廠商的芯片。同時(shí)，黑莓與博世等多家Tier 1 廠商建立了合作伙伴關(guān)系，推廣其Hypervisor產(chǎn)品。此外，高通在Snapdragon Ride 自動(dòng)駕駛軟件堆棧中也選擇了QNX Hypervisor 2.0版本產(chǎn)品。

國內(nèi)Hypervisor 發(fā)展相對(duì)落后，2017 年中科創(chuàng)達(dá)、誠邁科技入選黑莓VAI計(jì)劃，作為合作伙伴可以使用黑莓的嵌入式技術(shù)，開發(fā)集成服務(wù)、安全關(guān)鍵型解決方案。阿里斑馬智行已開發(fā)出虛擬機(jī)監(jiān)控技術(shù)產(chǎn)品AliOS Hypervisor。中興通訊自研的Hypervisor產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)裝車應(yīng)用。

2.2 車用操作系統(tǒng)內(nèi)核

內(nèi)核作為操作系統(tǒng)的核心，管理系統(tǒng)的各種資源［3］，提供內(nèi)存管理、文件管理、CPU 調(diào)度管理、輸入輸出管理等功能［4］。內(nèi)核可以按照內(nèi)核結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)性以及對(duì)內(nèi)核改造程度3 個(gè)維度進(jìn)行分類：根據(jù)內(nèi)核結(jié)構(gòu)，分為微內(nèi)核和宏內(nèi)核；按照實(shí)時(shí)性，分為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和分時(shí)操作系統(tǒng)；根據(jù)對(duì)內(nèi)核改造程度，分為基礎(chǔ)型、定制型和ROM型。

2.2.1 概念

（1） 微內(nèi)核與宏內(nèi)核

微內(nèi)核的內(nèi)核服務(wù)和用戶服務(wù)在不同的地址空間中實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用程序和硬件的通信通過內(nèi)核進(jìn)程和內(nèi)存管理實(shí)現(xiàn)。微內(nèi)核穩(wěn)定性較高，易于移植和擴(kuò)展。由于用戶服務(wù)和內(nèi)核服務(wù)相互獨(dú)立，內(nèi)核服務(wù)將不會(huì)因用戶服務(wù)的崩潰而受到影響。此外，微內(nèi)核每添加一個(gè)功能，只須建立一個(gè)新的服務(wù)到用戶空間當(dāng)中，無須對(duì)內(nèi)核空間作任何修改，但缺點(diǎn)是用戶服務(wù)和內(nèi)核服務(wù)之間交互流程較長，執(zhí)行速度相對(duì)較慢。目前，微內(nèi)核架構(gòu)多用于儀表顯示、智能網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控其他操作系統(tǒng)等安全等級(jí)要求較高的領(lǐng)域。

宏內(nèi)核中的內(nèi)核服務(wù)和用戶服務(wù)在同一地址空間中，執(zhí)行速度比微內(nèi)核快，缺點(diǎn)在于當(dāng)內(nèi)核中的某個(gè)服務(wù)崩潰時(shí)，會(huì)影響其他內(nèi)核服務(wù)，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)核崩潰。此外，添加新的功能意味著內(nèi)核中的各模塊都需要做相應(yīng)的修改，導(dǎo)致內(nèi)核擴(kuò)展性較弱。目前，在車用操作系統(tǒng)中，宏內(nèi)核架構(gòu)多用于智能駕駛、人車交互等算力要求較高的領(lǐng)域。微內(nèi)核與宏內(nèi)核特點(diǎn)如表2所示。

表2 微內(nèi)核與宏內(nèi)核對(duì)比表

（2） 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與分時(shí)操作系統(tǒng)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)及時(shí)接受并處理外界事件或數(shù)據(jù)，并協(xié)調(diào)控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)［5］。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性和高可靠性的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車電控領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)車輛行駛過程中的車身控制，如動(dòng)力控制和制動(dòng)控制等。

分時(shí)操作系統(tǒng)是指通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等方式，輪流為多個(gè)用戶提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)用戶的快速響應(yīng)，并提供交互能力［5］。分時(shí)操作系統(tǒng)具有多路性、獨(dú)立性、及時(shí)性、交互性的特點(diǎn)，可以縮短系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間、提高吞吐率。在汽車領(lǐng)域，分時(shí)操作系統(tǒng)主要應(yīng)用于人車交互、信息娛樂、導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與分時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)如表3所示。

表3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與分時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)比表

（3） 基礎(chǔ)型、定制型和ROM型

基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)僅包括系統(tǒng)內(nèi)核、底層驅(qū)動(dòng)等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最基本的功能，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的內(nèi)存、進(jìn)程、驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。

定制型操作系統(tǒng)是對(duì)基礎(chǔ)操作系統(tǒng)進(jìn)行深度定制化開發(fā)，如修改內(nèi)核、硬件驅(qū)動(dòng)、運(yùn)行環(huán)境、應(yīng)用程序框架等。一般由國內(nèi)外頭部車企或軟件開發(fā)企業(yè)開發(fā)。內(nèi)核改動(dòng)成本高昂，技術(shù)水平要求高，需要有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力。

ROM 型操作系統(tǒng)不涉及系統(tǒng)內(nèi)核修改，僅在基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)上進(jìn)行有限定制化開發(fā)，一般只修改/更新操作系統(tǒng)自帶的應(yīng)用組件程序等。

2.2.2 典型系統(tǒng)內(nèi)核

目前，主流基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)內(nèi)核包括QNX、Linux、Vxworks 等。但由于QNX 代碼封閉、Vxworks易用性和易擴(kuò)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(nèi)核進(jìn)行定制化開發(fā)的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)智能駕駛或智能座艙的功能，如特斯拉基于Linux 內(nèi)核定制開發(fā)的Version OS、谷歌基于Linux 內(nèi)核定制開發(fā)并開放源代碼的Android Automotive OS、華為基于微內(nèi)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(shù)路線，如寶馬BMW OS、小鵬Xmart OS、蔚來NIO OS。3 類基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)比如表4所示。

表4 3類基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)比表

2.2.3 國內(nèi)外系統(tǒng)內(nèi)核市場格局

目前主流基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)均為國外企業(yè)或社區(qū)開發(fā)，國內(nèi)雖然有華為、中興通訊、阿里斑馬智行等企業(yè)自研微內(nèi)核架構(gòu)的基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)，但普及率不高。根據(jù)CSDN 數(shù)據(jù)，QNX 市場占有率最高，覆蓋全球主要汽車品牌，已有超過230種車型使用QNX。Linux 市場占有率位居第二，2014 年Linux 基金會(huì)推出汽車級(jí)Linux，開源車載系統(tǒng)AGL（automotive grade Linux），豐田、戴姆勒、本田等知名車企均參與AGL 項(xiàng)目開發(fā)。Vxworks 主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)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，但因公司戰(zhàn)略規(guī)劃方向調(diào)整，其研發(fā)的車用操作系統(tǒng)WinCe 已基本退出車用領(lǐng)域。全球車載操作系統(tǒng)內(nèi)核市場競爭格局如圖3所示。

圖3 全球車載操作系統(tǒng)內(nèi)核市場競爭格局

對(duì)于整車企業(yè)而言，自研操作系統(tǒng)內(nèi)核成本較高，大多基于已有內(nèi)核進(jìn)行ROM 型開發(fā)。當(dāng)前，自動(dòng)駕駛初創(chuàng)公司和整車企業(yè)大多是在QNX、Linux等基礎(chǔ)型內(nèi)核之上進(jìn)行開發(fā)，并自研中間件和應(yīng)用軟件。整車企業(yè)在選擇操作系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)，會(huì)結(jié)合自身需求和研發(fā)能力，從安全性、可靠性、開放性、可擴(kuò)展性、易用性及成本等方面權(quán)衡。例如，對(duì)實(shí)時(shí)性、功能安全要求更高的安全控制域，如安全氣囊，整車企業(yè)會(huì)優(yōu)先考慮實(shí)時(shí)性、安全性好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)QNX 等。而對(duì)應(yīng)用生態(tài)豐富度要求高的座艙域，整車企業(yè)會(huì)在開放程度更高的Linux、Android 等內(nèi)核基礎(chǔ)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 OS和谷歌Android Automotive OS。其中，Version OS 包含智能座艙、智能駕駛和安全車控3 類操作系統(tǒng)，由特斯拉全棧自研，并可通過OTA 進(jìn)行快速修正與升級(jí)，提升用戶體驗(yàn)。而Android Automotive OS 具有應(yīng)用生態(tài)豐富、開源靈活、可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，有助于軟件開發(fā)企業(yè)、整車企業(yè)快速切入車用智能座艙操作系統(tǒng)領(lǐng)域，建立車載軟件生態(tài)。

國內(nèi)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其中鴻蒙操作系統(tǒng)已在比亞迪漢、問界M5、北汽極狐阿爾法等車型應(yīng)用。Apollo 操作系統(tǒng)已在奇瑞EXEED 星途TX 車型實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并應(yīng)用于百度自研的第五代L4 級(jí)自動(dòng)駕駛車型Apollo Moon 中。阿里斑馬智行AliOS已在上汽智己L7車型實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。上汽、長安、東風(fēng)、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)/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(nèi)核和Safety Linux的雙內(nèi)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和豐富生態(tài)支持要求。國內(nèi)芯片企業(yè)地平線等企業(yè)基于自研芯片架構(gòu)也開展了智能駕駛操作系統(tǒng)的自主研發(fā)。

2.3 中間件

2.3.1 概念

中間件作為內(nèi)核和功能軟件之間的中間層軟件，將內(nèi)核提供的接口重新封裝，并添加一些實(shí)用功能，為功能軟件提供更好服務(wù)。由于汽車軟件系統(tǒng)出現(xiàn)了多種操作系統(tǒng)并存的局面，導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性和開發(fā)成本劇增，為提高軟件的管理性、移植性、裁剪性和質(zhì)量，須重新定義一套架構(gòu)，將內(nèi)外部開發(fā)環(huán)境交互規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)一，幫助實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的解耦［6］。

2.3.2 典型中間件

目前，主流中間件是Autosar 汽車開放架構(gòu)，由全球汽車制造商、零部件供應(yīng)商以及各種研究、服務(wù)機(jī)構(gòu)共同參與制定，擁有CP 和AP 兩大平臺(tái)［7］。CP架構(gòu)是針對(duì)傳統(tǒng)車輛控制OSEK 標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)的解決方案，主要應(yīng)用在算力要求較低的場景中，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制等傳統(tǒng)電子控制單元。AP 架構(gòu)是由CP架構(gòu)演化而來，時(shí)延在毫秒級(jí)，主要應(yīng)用在算力要求更高的場景中，如自動(dòng)駕駛和信息娛樂等領(lǐng)域。Autosar 作為一套標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際應(yīng)用中，Tier 1 廠商會(huì)基于安全車控ECU 模塊中的MCU 芯片，將OSEK OS作為Autosar CP 平臺(tái)的底層組件，構(gòu)建安全車控操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車身、動(dòng)力、底盤系統(tǒng)等控制功能。Autosar CP與AP情況如表5所示。

表5 CP與AP對(duì)比

隨著智能駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，ROS 2 作為能夠支持Linux、RTOS等操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，已逐漸應(yīng)用于自動(dòng)駕駛中間件中［8］。Autosar AP 與ROS 2對(duì)比如表6所示。

表6 Autosar AP和ROS 2對(duì)比

2.3.3 國內(nèi)外中間件市場格局

目前中間件開發(fā)的參與者眾多，多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并行。從競爭格局看，整車企業(yè)、傳統(tǒng)Tier1廠商、平臺(tái)供應(yīng)商、汽車電子廠商及第三方軟件供應(yīng)商在中間件領(lǐng)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(shí)現(xiàn)Autosar 系統(tǒng)功能，須購買德國維克多、易特馳和芬蘭伊萊比特等Tier1 的Autosar 工具鏈，其中易特馳產(chǎn)品可兼容Autosar與ROS 2架構(gòu)。

國內(nèi)有多家企業(yè)從事Autosar 中間件的開發(fā)，包括東軟睿馳、經(jīng)緯恒潤、普華基礎(chǔ)軟件、華為、阿里斑馬智行等。

3 功能軟件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 概念

功能軟件是面向智能駕駛核心共性需求形成的軟件集合，支撐自動(dòng)駕駛功能靈活敏捷開發(fā)，其模塊包括自動(dòng)駕駛通用框架、網(wǎng)聯(lián)、云控等，與系統(tǒng)軟件共同構(gòu)成完整的智能駕駛操作系統(tǒng)［9］。功能軟件具有彈性可擴(kuò)展的特點(diǎn)，主要解決算法/組件復(fù)用、應(yīng)用快速開發(fā)與迭代、軟件系統(tǒng)集成、可視化開發(fā)等問題。

3.2 典型功能軟件

3.2.1 自動(dòng)駕駛通用框架模塊

自動(dòng)駕駛通用框架模塊是功能軟件的核心，可調(diào)用網(wǎng)聯(lián)、云控等功能軟件子模塊，支撐ADAS 和自動(dòng)駕駛應(yīng)用進(jìn)程。模塊包含感知、定位、決策、控制等專用算法組件庫，以及邏輯、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)算法組件庫。自動(dòng)駕駛通用框架模塊定義了核心、共性自動(dòng)駕駛通用框架和數(shù)據(jù)流，包含共性模塊的實(shí)現(xiàn)，并提供對(duì)外接口和服務(wù)，方便接入非共性或演進(jìn)算法，促進(jìn)快速迭代。

3.2.2 網(wǎng)聯(lián)模塊

網(wǎng)聯(lián)模塊通過實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)協(xié)同感知、網(wǎng)聯(lián)協(xié)同規(guī)劃等功能，完善自動(dòng)駕駛通用框架模塊。網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)通過V2X 獲得路側(cè)數(shù)據(jù)、攝像頭、智能信號(hào)燈、其他車輛等信息，結(jié)合單車傳感器系統(tǒng)，進(jìn)一步提高自動(dòng)駕駛感知功能，從而增強(qiáng)自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)的決策能力，最終實(shí)現(xiàn)無人駕駛。

3.2.3 云控模塊

云控模塊通過與云控基礎(chǔ)平臺(tái)交互，實(shí)現(xiàn)人車路云一體化。云控基礎(chǔ)平臺(tái)通過云計(jì)算和信息共享，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車及用戶提供車輛運(yùn)行、基礎(chǔ)設(shè)施、交通環(huán)境等動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。云控模塊一方面為云控基礎(chǔ)平臺(tái)提供其所需的數(shù)據(jù)支撐，另一方面通過中心云/邊緣云進(jìn)行云端感知、決策和規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)云-端分工協(xié)調(diào)。

3.3 國內(nèi)外功能軟件市場格局

目前，可提供功能軟件或相關(guān)功能模塊的企業(yè)較多，競爭較為激烈，國內(nèi)有國汽智控、德賽西威、地平線、中科創(chuàng)達(dá)、東軟睿馳、映馳和零念，國外有英偉達(dá)、TTTech 等。上述大部分企業(yè)僅提供部分說明文檔及示例開發(fā)，缺少圖形化軟件開發(fā)器，開發(fā)難度較高，研發(fā)的功能軟件僅提供部分模塊功能，豐富程度較低。

4 國外企業(yè)車用操作系統(tǒng)發(fā)展情況

4.1 整車企業(yè)

4.1.1 特斯拉

特斯拉研發(fā)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)。在智能座艙操作系統(tǒng)方面，特斯拉Version OS 是一款基于Linux 4.4 內(nèi)核版本深度改造而成的封閉操作系統(tǒng)，支持PyTorch深度學(xué)習(xí)編程框架，基于Kafka 開源流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，可支持信息娛樂系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)等［4］。為提高信息安全性，Version OS 使用了安全增強(qiáng)型Linux（SE Linux）內(nèi)核模塊，最大限度地保證系統(tǒng)安全。在智能駕駛操作系統(tǒng)方面，特斯拉基于自研的FSD 芯片，以Linux 內(nèi)核為基礎(chǔ)，定制開發(fā)Autopilot智能駕駛操作系統(tǒng)，具有感知、決策規(guī)劃和控制等功能，擁有48 個(gè)獨(dú)立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)處理，且具備強(qiáng)大的OTA 升級(jí)能力。該架構(gòu)基于海量的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、算法模型生成、算法模型分布式訓(xùn)練、算法模型車端部署等功能，可將算法模型與人類行駛行為對(duì)比，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋，使系統(tǒng)性能不斷迭代優(yōu)化。在安全車控操作系統(tǒng)方面，特斯拉參考Autosar CP標(biāo)準(zhǔn)自研。

4.1.2 寶馬

寶馬主要研發(fā)智能座艙操作系統(tǒng)，其BMW OS是一款基于QNX 自研的ROM 型智能座艙操作系統(tǒng)，目前已經(jīng)升級(jí)至BMW OS 8 版本，支持5G 通信標(biāo)準(zhǔn)、OTA 和UWB 超寬帶技術(shù)的無鑰匙汽車門禁，為用戶提供基于云端計(jì)算的新導(dǎo)航系統(tǒng)、車窗語音控制等一系列全新功能。此外，BMW OS 和數(shù)字化儀表盤、中控曲面屏等硬件設(shè)備組成的iDrive 平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向回饋力度、懸架剛度、電子模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴聲等10 個(gè)擋位調(diào)節(jié)，增強(qiáng)駕駛體驗(yàn)感和操控性。

4.2 Tier1企業(yè)

4.2.1 Vector

Vector 主要研發(fā)安全車控、智能駕駛操作系統(tǒng)，是Autosar 組織的成員，可提供遵循Autosar CP 與AP規(guī)范的多款中間件方案，功能安全等級(jí)達(dá)到ASIL-D級(jí)。Vector 提供的產(chǎn)品以標(biāo)準(zhǔn)組件為主，定制組件為輔。與其他Tier1 相比，其產(chǎn)品是以源碼形式交付，相比于業(yè)界流行的“黑盒交付”，更受整車企業(yè)青睞。其研發(fā)的MICROSAR Adaptive 操作系統(tǒng)是基于Autosar AP 平臺(tái)搭建，為中間件層提供實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境和開發(fā)工具，整車企業(yè)在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用PREEvision Adaptive Autosar Explore（協(xié)同開發(fā)平臺(tái)）進(jìn)行服務(wù)設(shè)計(jì)、服務(wù)定義、服務(wù)實(shí)現(xiàn)、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、SOME/IP通信設(shè)計(jì)。

4.2.2 易特馳

易特馳主要研發(fā)安全車控、智能駕駛操作系統(tǒng)，是Autosar組織成員，可提供遵循Autosar CP與AP規(guī)范的多款中間件方案，包括RTA-CAR、OS Port、Iceoryx 等，但交付方式主要以“黑盒交付”為主。其中，Iceoryx 是一款適用于各種操作系統(tǒng)的進(jìn)程間通信（IPC）的高級(jí)別自動(dòng)駕駛中間件產(chǎn)品，目前已支持Linux、Mac OS 和QNX，可兼容ROS2和Autosar AP接口，滿足當(dāng)前最常見的基于SOME/IP 通信和基于DoIP 診斷的應(yīng)用場景，滿足不同開發(fā)階段的需求。

4.3 互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)

4.3.1 谷歌

谷歌主要研發(fā)智能座艙操作系統(tǒng)，其Android Automotive OS 是一款基于Linux 內(nèi)核的智能座艙操作系統(tǒng)，具有系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間短、吞吐率高、可處理多個(gè)用戶請(qǐng)求及服務(wù)等優(yōu)點(diǎn)。此外，Android Automotive 增加了AppCar（OEM 和第三方開發(fā)的應(yīng)用）、Car API（汽車App 特有的接口）、Car Service（系統(tǒng)中與車相關(guān)的服務(wù)）、Vehicle Network Service（汽車的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）、Vehicle HAL（汽車的硬件抽象層描述）等模塊，具備查看和控制整車其它子系統(tǒng)的能力［10］。Android Automotive架構(gòu)如圖4所示。

圖4 Android Automotive OS架構(gòu)

4.3.2 黑莓

黑莓QNX 是一款以安全穩(wěn)定和實(shí)時(shí)性著稱的微內(nèi)核、非開源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，且文件大小遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)。QNX 的應(yīng)用程序之間采用同步消息傳遞的進(jìn)程間通信模式來訪問所有驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)服務(wù)。在這一模式下，QNX 內(nèi)核可以自動(dòng)協(xié)調(diào)通信程序，開發(fā)者無須在每個(gè)進(jìn)程中手動(dòng)編碼和調(diào)試復(fù)雜的同步服務(wù)。此外，通過將操作系統(tǒng)劃分為可以單獨(dú)開發(fā)和維護(hù)的基礎(chǔ)模塊，QNX 一定程度上實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)的模塊化和簡單化［10］。QNX 架構(gòu)如圖5所示。

圖5 QNX架構(gòu)

黑莓研發(fā)的智能座艙操作系統(tǒng)主要聚焦于對(duì)實(shí)時(shí)性和安全性有較高要求的儀表顯示等模塊。

4.3.3 Linux開源基金會(huì)

Linux 是一款以靈活開源且性能穩(wěn)定著稱的宏內(nèi)核、嵌入式的分時(shí)操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于智能駕駛領(lǐng)域。其核心在于網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，支持多用戶、多任務(wù)、多線程、多CPU 的同時(shí)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其內(nèi)核由進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理和驅(qū)動(dòng)以及網(wǎng)絡(luò)通信等5 部分組成。其中，進(jìn)程管理是最重要的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU 的訪問控制。此外，硬盤、軟盤、以太網(wǎng)卡等驅(qū)動(dòng)和其他功能可以編譯進(jìn)內(nèi)核，也可以在運(yùn)行時(shí)加載。因此，Linux 的內(nèi)核設(shè)計(jì)方式提供了一種高度模塊化的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建方法，可以通過定制驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的組合來提供附加功能［10］。Linux架構(gòu)如圖6所示。

圖6 Linux架構(gòu)

4.4 芯片企業(yè)

4.4.1 英偉達(dá)

英偉達(dá)基于自研芯片，開發(fā)出NVIDIA DRIVE智能駕駛操作系統(tǒng)，為開發(fā)者提供自動(dòng)駕駛所需的所有構(gòu)建模塊和算法堆棧。該軟件有助于開發(fā)者更高效地構(gòu)建和部署各種先進(jìn)的智能駕駛應(yīng)用程序，包括感知、定位和地圖繪制、計(jì)劃和控制、駕駛員監(jiān)控和自然語言處理。其中，智能駕駛操作系統(tǒng)的功能層軟件涵蓋開發(fā)高級(jí)別自動(dòng)駕駛功能的處理模塊、工具和框架，如DNN 算法加速庫、Calibration 標(biāo)定工具、DriveCore 核心庫，幫助下游開發(fā)者實(shí)現(xiàn)易于深度定制開發(fā)的功能軟件。

4.4.2 Mobileye

英特爾旗下的Mobileye 基于自研芯片，開發(fā)智能駕駛操作系統(tǒng)，將芯片和智能駕駛操作系統(tǒng)緊耦合，快速為整車廠提供智能駕駛解決方案。同時(shí)，Mobileye發(fā)布面向芯片的軟件集成化工具EyeQ Kit，該工具充分利用芯片的高能效架構(gòu)，提供完整的SDK 包（軟件開發(fā)工具包）以及OpenCL 環(huán)境和TensorFlow（基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開源軟件庫）來支持開放計(jì)算，允許整車廠在EyeQ 上部署算法，并提供人機(jī)接口工具。

5 國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)發(fā)展情況及主要問題

5.1 國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)發(fā)展情況

總體來說，與國外相比，我國車用操作系統(tǒng)發(fā)展相對(duì)較慢，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。在安全車控操作系統(tǒng)方面，以Vector、博世、采埃孚為主的國際頭部Tier1 廠商占據(jù)絕大部分市場，處于領(lǐng)先水平［11］。國內(nèi)雖然有東軟睿馳、經(jīng)緯恒潤等廠商，但產(chǎn)品穩(wěn)定性以及相應(yīng)工具鏈的成熟度仍與國外有一定差距。在智能駕駛操作系統(tǒng)方面，整車企業(yè)、軟件開發(fā)企業(yè)、芯片企業(yè)已開展相關(guān)研究，大多基于Linux內(nèi)核的定制型操作系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)大算力的自動(dòng)駕駛決策功能。雖然技術(shù)路徑較為一致，但由于國內(nèi)廠商存在對(duì)Linux內(nèi)核理解不深入、操作系統(tǒng)裝車量不足、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚未統(tǒng)一等問題，導(dǎo)致國內(nèi)智能駕駛操作系統(tǒng)發(fā)展較為緩慢。在智能座艙操作系統(tǒng)方面，由于Android在座艙娛樂領(lǐng)域的生態(tài)較為完善，研發(fā)成本較低，使得Android成為諸多企業(yè)的首選。此外，國內(nèi)企業(yè)傾向研發(fā)微內(nèi)核操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字儀表顯示等實(shí)時(shí)性、安全性要求較高的功能，搶占QNX 操作系統(tǒng)市場，但尚未普及。

5.2 國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)的主要問題

5.2.1 關(guān)鍵核心技術(shù)基礎(chǔ)薄弱

一是在燃油車時(shí)代，產(chǎn)業(yè)模式主要是整車企業(yè)與Tier1合作，博世、大陸、采埃孚等國際零部件巨頭可提供完整的軟硬件解決方案，整車企業(yè)對(duì)自主操作系統(tǒng)的認(rèn)知度和使用黏性不足，導(dǎo)致國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)發(fā)展相對(duì)較慢。隨著汽車進(jìn)入智能化時(shí)代，產(chǎn)業(yè)模式發(fā)生變革，英偉達(dá)、谷歌等Tier2 廠商直接與整車企業(yè)合作，進(jìn)一步壓縮了國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)的發(fā)展空間，疊加整車企業(yè)對(duì)國產(chǎn)操作系統(tǒng)持續(xù)迭代發(fā)展的信心不足等不利因素，導(dǎo)致國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)裝車率較低。

二是相較計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)操作系統(tǒng)，車用操作系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性、穩(wěn)定性的要求更高。但我國在車用操作系統(tǒng)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力不足，現(xiàn)有大部分車用操作系統(tǒng)大都基于QNX、Linux、Android 系統(tǒng)的二次開發(fā)，對(duì)內(nèi)核技術(shù)和代碼的理解以及多操作系統(tǒng)融合能力不足，軟硬件兼容適配方面技術(shù)薄弱，難以滿足車用操作系統(tǒng)較高的實(shí)時(shí)性、安全性和穩(wěn)定性要求。

三是我國車用操作系統(tǒng)開發(fā)所需要的工具鏈、安全標(biāo)準(zhǔn)體系、程序庫等大多被國外公司壟斷。工具鏈基本采用易特馳、Vector 等國外企業(yè)產(chǎn)品，采購及使用成本較高。東軟睿馳、經(jīng)緯恒潤、普華基礎(chǔ)軟件等國內(nèi)公司自主研發(fā)的工具鏈雖然已用于整車企業(yè)，但基本是作為國外產(chǎn)品的配套軟件，仍處于發(fā)展初級(jí)階段，尚不具備獨(dú)立開發(fā)全套工具鏈的能力。

5.2.2 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系尚不健全

我國車用操作系統(tǒng)相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范缺乏系統(tǒng)性和完整性，尚不成體系［12］。在智能駕駛操作系統(tǒng)方面，存在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尚未建立、應(yīng)用軟件接口協(xié)議不規(guī)范等問題，在一定程度上制約了智能駕駛的發(fā)展［13］。在安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，功能安全和信息安全規(guī)范大都來自國外，自主研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)較少，尚未建立符合我國國情的車用操作系統(tǒng)規(guī)范，也缺乏相關(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和法律保障。

5.2.3 基礎(chǔ)科學(xué)建設(shè)和人才支撐不足

車用操作系統(tǒng)需要計(jì)算機(jī)軟件、信息通信、車輛控制、數(shù)據(jù)安全、信息安全等多學(xué)科交叉融合作為支撐。但我國車用操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和相關(guān)學(xué)科人才短缺，一方面國內(nèi)計(jì)算機(jī)專業(yè)教育偏重于計(jì)算機(jī)工程、軟件工程和軟件應(yīng)用，與車輛工程、數(shù)據(jù)安全等學(xué)科融合不足；另一方面由于國內(nèi)車用操作系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)軟件研發(fā)投入不足，行業(yè)前景存在不確定性，導(dǎo)致高端領(lǐng)軍人才匱乏。

6 發(fā)展國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)的重要性

開發(fā)國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)對(duì)發(fā)展汽車產(chǎn)業(yè)具有戰(zhàn)略意義。我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)已形成一定的領(lǐng)先優(yōu)勢，當(dāng)前面臨芯片設(shè)計(jì)制造能力不足和車用操作系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱的雙重挑戰(zhàn)。政府和企業(yè)已開始重視缺“芯”問題，由于我國操作系統(tǒng)起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，疊加行業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和合力不足等不利因素，導(dǎo)致我國車用操作系統(tǒng)發(fā)展緩慢。為推動(dòng)我國智能汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，避免出現(xiàn)新的“卡脖子”問題，須大力發(fā)展并建立自主可控的車用操作系統(tǒng)，提升車用操作系統(tǒng)的國際話語權(quán)，使新能源汽車產(chǎn)業(yè)真正成為具有全球競爭力的產(chǎn)業(yè)。

車用操作系統(tǒng)是汽車向智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展的基礎(chǔ)，是必須掌握的關(guān)鍵核心技術(shù)。車輛正由單純的交通工具向智能移動(dòng)終端轉(zhuǎn)變，汽車電子電氣架構(gòu)正在由分布式向域集中式、中央計(jì)算架構(gòu)持續(xù)演進(jìn)，汽車電子產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)鏈將面臨重構(gòu)［9］。汽車電子底層硬件不再僅僅提供簡單的邏輯計(jì)算，而是須提供更為強(qiáng)大的算力支持，軟件也不再是基于某一固定硬件開發(fā)，而是要具備可移植、可迭代和可拓展等特性。智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要一個(gè)安全可靠、實(shí)時(shí)運(yùn)行、并行計(jì)算和分布管理的操作系統(tǒng)，能夠支持人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、高算力等新一代信息技術(shù)應(yīng)用。

開發(fā)國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)有助于保障產(chǎn)業(yè)安全。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車全產(chǎn)業(yè)鏈上的一些關(guān)鍵技術(shù)，比如操作系統(tǒng)、車用高性能芯片和車用傳感器大量依賴國外公司產(chǎn)品，很大程度影響到我國汽車產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈安全，只有基于自主開發(fā)，才不會(huì)受制于人。同時(shí)，如果沒有安全可靠、實(shí)時(shí)運(yùn)行的操作系統(tǒng)，就很容易出現(xiàn)信息泄露與篡改，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，可能會(huì)引發(fā)車輛安全事故［14］。而且智能汽車在使用過程中將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如不能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，將會(huì)面臨極大的數(shù)據(jù)安全和信息安全，存在重大國家安全隱患。

開發(fā)國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)將帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)麥肯錫數(shù)據(jù)顯示，2020 年全球車用操作系統(tǒng)的市場規(guī)模達(dá)到238 億美元，預(yù)計(jì)2025 年將達(dá)到362億美元，2030 年將達(dá)到469 億美元。我國車用操作系統(tǒng)同樣也將迎來發(fā)展良機(jī)，2021 年市場規(guī)模為94.3億元，預(yù)計(jì)2023年有望突破185億元。

7 車用操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢

伴隨汽車電子電氣架構(gòu)演進(jìn)，車用操作系統(tǒng)從多系統(tǒng)向少系統(tǒng)、從單核向多核分布式架構(gòu)發(fā)展。在分布式階段，整車存在多類型控制系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)EMS、自動(dòng)變速器控制單元TCU、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP、電池管理系統(tǒng)BMS等，均需要單獨(dú)的嵌入式操作系統(tǒng)，只為實(shí)現(xiàn)既定功能負(fù)責(zé)，不考慮與其他ECU 信息交換。在域集中階段，功能相近ECU進(jìn)行融合，基于域控制器，操作系統(tǒng)向少數(shù)集成化發(fā)展，形成智能駕駛操作系統(tǒng)、智能座艙操作系統(tǒng)、安全車控操作系統(tǒng)；未來發(fā)展到中央集中式階段，硬件集中化也會(huì)帶來操作系統(tǒng)功能集成、數(shù)量減少，形成統(tǒng)一的整車智能操作系統(tǒng)。從內(nèi)核數(shù)量及架構(gòu)特點(diǎn)變化來看，從傳統(tǒng)汽車到智能汽車，計(jì)算資源管理和計(jì)算模型發(fā)生了巨大變化，主控芯片向異構(gòu)式SoC芯片升級(jí)，在AI 單元、計(jì)算單元和控制單元上，由Hypervisor虛擬化分區(qū)，各不同安全等級(jí)內(nèi)核系統(tǒng)運(yùn)行在各自分區(qū)內(nèi)，每個(gè)單元完成各自功能，操作系統(tǒng)由單一內(nèi)核向多內(nèi)核發(fā)展，并將形成多核分布式、異構(gòu)融合的架構(gòu)。

7.1 車用操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

目前，行業(yè)的總體認(rèn)識(shí)是車用操作系統(tǒng)的整體架構(gòu)朝著橫向集中和縱向分層的方向發(fā)展，主要有“深度耦合，軟硬綁定”和“分層解耦、開放共用”兩種模式。

前者主要由特斯拉、大眾、蔚來、理想等整車企業(yè)采用，采用內(nèi)嵌Version OS 的FSD 芯片、內(nèi)嵌QNX的英偉達(dá)芯片、內(nèi)嵌Android 和QNX 的高通芯片。該模式的優(yōu)勢是初期軟硬一體開發(fā)效率高，直接面向汽車產(chǎn)品需求迭代快，但存在研發(fā)投入大、系統(tǒng)封閉難以形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)、技術(shù)迭代的可持續(xù)性不足等問題。

后者主要由軟件開發(fā)企業(yè)采用，如阿里斑馬智行、普華基礎(chǔ)軟件等。該模式在能夠廣泛適配各類型芯片的同時(shí)，可保證操作系統(tǒng)的獨(dú)立演進(jìn)。分層解耦的模塊化開發(fā)可支持整車企業(yè)靈活地適配中間件及個(gè)性化上層應(yīng)用。開放共用的模式便于構(gòu)建行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、降低行業(yè)整體成本，幫助整車企業(yè)更高效地復(fù)用和積累已有的自研軟件應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)整車軟件的安全可控，但存在發(fā)展初期規(guī)模效應(yīng)不足、操作系統(tǒng)生態(tài)單薄、操作系統(tǒng)與芯片軟硬協(xié)同效率較低等問題。

7.2 車用操作系統(tǒng)在各功能域的架構(gòu)方案以及發(fā)展趨勢

新能源汽車中，最常見3 個(gè)功能域：車輛控制域、智能駕駛域和智能座艙域。車輛控制域主要涉及車輛的各類基礎(chǔ)傳感器，如溫度傳感器、基礎(chǔ)執(zhí)行器等。車輛控制域?qū)λ懔σ筝^低，但對(duì)功能安全要求較高，須達(dá)到ASIL-D 級(jí)，因此車輛控制域的控制器以低算力SoC 或MCU 為主，搭載高功能安全等級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。智能駕駛域主要負(fù)責(zé)攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等傳感器感知環(huán)境，并決策控制車輛行駛。智能駕駛域一般使用高AI 算力的SoC，搭載微內(nèi)核架構(gòu)的RTOS 和安全增強(qiáng)型Linux。智能座艙域主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互，涉及從各種傳感器感知駕駛員及乘客的意圖，并給予及時(shí)反饋。智能座艙域一般使用高CPU/GPU 算力的SoC，使用Hypervisor 進(jìn)行資源隔離，運(yùn)行多個(gè)程序，分別控制儀表，中控屏等。未來隨著電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)，智能座艙、智能駕駛將開始融合，基于Hypervisor 的軟硬隔離，實(shí)現(xiàn)不同功能安全等級(jí)要求的功能域承載不同形態(tài)的操作系統(tǒng)（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)/Linux），并能夠在線升級(jí)，構(gòu)建最佳用戶體驗(yàn)的軟硬件架構(gòu)。

7.3 Hypervisor發(fā)展趨勢

未來，車載計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)的硬件算力、存儲(chǔ)能力、通信能力將得到極大提升，同時(shí)上層應(yīng)用也日益豐富且復(fù)雜。在此背景下，虛擬化技術(shù)將成為車載計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)中非常重要且不可或缺的基礎(chǔ)軟件。綜合來看，車用Hypervisor的發(fā)展有以下趨勢。一是高功能安全、高信息安全、高確定性、高性能的硬件資源實(shí)現(xiàn)分區(qū)隔離。由于軟硬系統(tǒng)的復(fù)雜度快速上升，原本在多個(gè)ECU 中實(shí)現(xiàn)的多個(gè)功能被整合到域控制器或中央計(jì)算平臺(tái)上，導(dǎo)致軟件系統(tǒng)更為復(fù)雜、出錯(cuò)概率增加、可靠性下降，而高功能安全、高信息安全、硬實(shí)時(shí)硬件資源分區(qū)隔離的Hypervisor可以在不影響原有系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，為解決上述挑戰(zhàn)帶來堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)支撐。二是硬件資源的高效、彈性共享。復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)要求操作系統(tǒng)能夠更有效地利用硬件資源，動(dòng)態(tài)資源的分配可以在復(fù)雜應(yīng)用需求環(huán)境下充分利用硬件資源的潛能。三是高安全、高性能的跨域通信。在分區(qū)隔離以及高效彈性共享的基礎(chǔ)上，高安全、高性能的分區(qū)軟件系統(tǒng)的跨域通信可提高整個(gè)軟硬件系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并保障跨域通信的功能安全和信息安全。

7.4 內(nèi)核發(fā)展趨勢

車用操作系統(tǒng)內(nèi)核面臨支持以自動(dòng)駕駛為代表的AI 應(yīng)用生態(tài)、負(fù)載軟硬件環(huán)境下的高功能安全和高信息安全保障、車用環(huán)境下高安全/高性能/實(shí)時(shí)性/確定性/穩(wěn)定性的綜合優(yōu)化等方面的挑戰(zhàn)。因此，車用操作系統(tǒng)內(nèi)核須著力優(yōu)化高確定性/硬實(shí)時(shí)中斷處理能力，支持搶占式調(diào)度，提供確定性的中斷延遲和調(diào)度延遲，加強(qiáng)功能安全和信息安全，并實(shí)現(xiàn)高效自適應(yīng)分區(qū)調(diào)度，兼容支持國際標(biāo)準(zhǔn) POSIX 以及行業(yè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)（例如 Linux 自定義部分）的應(yīng)用接口，提供良好應(yīng)用生態(tài)支持。

7.5 中間件發(fā)展趨勢

因汽車軟件架構(gòu)正逐步由面向信號(hào)的架構(gòu)朝SOA架構(gòu)升級(jí)，中間件的未來發(fā)展有以下趨勢：一是提供SOA 服務(wù)框架，將復(fù)雜系統(tǒng)分解成多個(gè)組件，以低耦合的方式集成，并支持車路云一體化的跨域算力融合與分布式通信；二是屏蔽底層異構(gòu)硬件，在統(tǒng)一的架構(gòu)下向上提供統(tǒng)一的接口，使開發(fā)者專注于應(yīng)用開發(fā)，實(shí)現(xiàn)功能軟件的移植迭代；三是支持跨核、跨芯片、跨域、跨系統(tǒng)的通信場景，支持 DDS（分布式實(shí)時(shí)通信）、SOME/IP（通信協(xié)議）以及車載以太網(wǎng)/TSN 等新型通信技術(shù)；四是提供異構(gòu)確定性調(diào)度框架，支持以時(shí)間驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等多種編程范式，有序地安排對(duì)異構(gòu)芯片的資源需求，保障關(guān)鍵任務(wù)執(zhí)行確定性的同時(shí)，最大化利用系統(tǒng)資源。

7.6 功能軟件發(fā)展趨勢

功能軟件正逐步朝著模塊化、組件化和服務(wù)化方向發(fā)展。在功能軟件成為系統(tǒng)模塊之前，各垂直應(yīng)用往往直接基于系統(tǒng)底層開發(fā)，實(shí)現(xiàn)單一功能，不同應(yīng)用之間能力無法復(fù)用，開發(fā)難度大，資源開銷大。隨著功能軟件層被抽象出來，將成為面向服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)組件，可實(shí)現(xiàn)節(jié)省系統(tǒng)資源的同時(shí)，極大降低應(yīng)用開發(fā)的成本開銷。一方面，基于中間件和SOA 服務(wù)架構(gòu)，功能軟件可完成自動(dòng)駕駛算法應(yīng)用的數(shù)據(jù)流和控制流框架搭建，對(duì)接不同的智駕算法模塊，協(xié)同傳感器輸入、多模感知、預(yù)測、規(guī)劃等不同的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)算法流程注入、安全監(jiān)控和狀態(tài)管理機(jī)制；另一方面，功能軟件通過構(gòu)建地圖服務(wù)、定位服務(wù)和數(shù)據(jù)引擎等體系，建立智能駕駛基礎(chǔ)服務(wù)體系。

操作系統(tǒng)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車復(fù)雜計(jì)算和協(xié)同控制的技術(shù)基石，已成為汽車行業(yè)的重要技術(shù)發(fā)展方向。我國應(yīng)立足于產(chǎn)學(xué)研合作攻關(guān)，以開源、開放、共享、協(xié)同的開發(fā)模式聚集企業(yè)、高校院所和用戶的力量，加速信息技術(shù)和汽車產(chǎn)業(yè)的融合，推進(jìn)操作系統(tǒng)的迭代發(fā)展，加快實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)中國方案的落地，推動(dòng)車路云一體化建設(shè)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。