◆文/江蘇 高惠民

(接2023年第9期)

(3)基礎(chǔ)軟件層

基礎(chǔ)軟件層主要與硬件相關(guān)，主要包括操作系統(tǒng)(operating system)和中間件(middleware)等。通過對基礎(chǔ)軟件層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，汽車廠商可專注于開發(fā)有競爭力的上層應(yīng)用軟件，而無須過多關(guān)注底層基礎(chǔ)軟件與硬件。根據(jù)功能的不同，基礎(chǔ)軟件層進(jìn)一步可劃分為服務(wù)層、ECU抽象層、微控制器抽象層和復(fù)雜驅(qū)動層，如圖30所示。

圖30 AUTOSAR層面示意圖

①服務(wù)層由一系列基礎(chǔ)軟件組件構(gòu)成，包括系統(tǒng)服務(wù)、存儲器服務(wù)、通信服務(wù)等，主要提供操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、內(nèi)存管理、診斷、ECU狀態(tài)管理模塊等基礎(chǔ)服務(wù)，對應(yīng)用層功能提供輔助支持。

②ECU抽象層將ECU結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抽象，主要提供ECU應(yīng)用相關(guān)的服務(wù)。該層軟件直接實(shí)現(xiàn)了ECU的應(yīng)用層功能，可以讀取傳感器狀態(tài)、執(zhí)行控制器輸出等。

③微控制器抽象層是實(shí)現(xiàn)不同硬件接口統(tǒng)一化的特殊層，是對ECU所使用的主控芯片的抽象，與芯片功能的實(shí)現(xiàn)緊密相關(guān)，是ECU軟件的最底層部分，直接和主控芯片及外設(shè)芯片進(jìn)行交互。微控制器抽象層軟件模塊主要由各個(gè)驅(qū)動程序構(gòu)成，如CAN驅(qū)動程序、LIN驅(qū)動程序、MCU(microcontroller unit，微控制單元)驅(qū)動程序等，通過微控制器抽象層可將硬件封裝起來，避免上層軟件直接對微控制器的寄存器進(jìn)行操作。

④復(fù)雜驅(qū)動層主要面向處理復(fù)雜硬件信號、執(zhí)行復(fù)雜硬件動作的ECU，如發(fā)動機(jī)控制、ABS等，這些功能相關(guān)的軟件很難抽象出來適用于所有類型ECU，它與ECU應(yīng)用及其所使用的硬件緊密相關(guān)，是AUTOSAR中無法在不同ECU平臺上移植的部分。

AUTOSAR的分層式設(shè)計(jì)，用于支持完整的軟件和硬件模塊的獨(dú)立性，中間RTE作為虛擬功能總線VFB的實(shí)現(xiàn)，隔離了上層的應(yīng)用層與下層的基礎(chǔ)軟件層，擺脫了以往ECU軟件開發(fā)與驗(yàn)證時(shí)對硬件系統(tǒng)的依賴。硬件層僅與基礎(chǔ)軟件層直接相關(guān)，完全獨(dú)立于應(yīng)用軟件層，既能促進(jìn)位于RTE之下的基礎(chǔ)軟件層實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，又方便汽車廠商無須特別關(guān)注基礎(chǔ)軟件層，只需專注于開發(fā)特定的上層應(yīng)用軟件；提高了系統(tǒng)整合能力，特別是標(biāo)準(zhǔn)化交互接口以及軟件組件模型的定義提高了各層的軟件復(fù)用能力，從而減少了開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)集成與產(chǎn)品推出的速度。

自動駕駛汽車需要實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)。其電子電氣架構(gòu)要求具備高性能計(jì)算的控制器控制器算力及通信帶寬需進(jìn)行巨大升級。實(shí)現(xiàn)高吞吐量、高通信帶寬的高性能計(jì)算能力，除了需要硬件架構(gòu)上，如異構(gòu)多核處理器、GPU加速等的支持，也需要適配新的軟件架構(gòu)來支持跨平臺的計(jì)算處理能力、高性能微控制器的計(jì)算以及遠(yuǎn)程診斷等。此外V2X通信涉及動態(tài)通信及大量數(shù)據(jù)的有效分配，例如及時(shí)獲取交通路況需要第三方合作伙伴參與，因此需要新的軟件架構(gòu)支持云交互以及非AUTOSAR系統(tǒng)的集成。自動駕駛車輛云端互連還需要專用安全手段的支持，以確保云交互和車載系統(tǒng)的通信安全。AUTOSAR一般是指傳統(tǒng)(Classic)平臺，然而，AUTOSAR Classic架構(gòu)無法適應(yīng)上述新的需求，因此在其基礎(chǔ)上又誕生了汽車自適應(yīng)開放系統(tǒng)架構(gòu)(AUTOSAR Adaptive)。AUTOSAR Adaptive體系架構(gòu)主要包括應(yīng)用層、運(yùn)行層(AUTOSAR runtime for adaptive，ARA)、基礎(chǔ)服務(wù)層，如圖31所示。圖32列舉了一些AUTOSAR Classic與 AUTOSAR Adaptive的主要區(qū)別。

圖31 AUTOSAR Adaptive體系架構(gòu)

圖32 AUTOSAR Classic與 AUTOSAR Adaptive的主要區(qū)別

與AUTOSAR Classic相比，AUTOSAR Adaptive面向高性能計(jì)算處理器架構(gòu)，其硬件層的算力更高，具有更高的吞吐量AUTOSAR Classic是基于信號通信，發(fā)送者只負(fù)責(zé)將信號發(fā)送出去，接收者只需接收目標(biāo)信號即可，這種方式適用于有限大小控制數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景。

AUTOSAR Adaptive基于服務(wù)通信，接收者作為客戶端查找、訂閱服務(wù)，發(fā)送者作為服務(wù)提供者按照需求為訂閱者提供服務(wù)和信息，這種方式大大提高了通信效率而降低了負(fù)載，適用于自動駕駛等需要大量數(shù)據(jù)動態(tài)交互的場景。

AUTOSAR Classic支持高安全性和高實(shí)時(shí)性的應(yīng)用場景，適用于部署運(yùn)行深度嵌入式的軟件功能。AUTOSAR Adaptive在保證安全等級、降低小部分實(shí)時(shí)性的情況下，能夠滿足非實(shí)時(shí)性的架構(gòu)系統(tǒng)軟件的需求，并大大增強(qiáng)了高性能計(jì)算處理能力，支持大數(shù)據(jù)的并行處理、智能互聯(lián)應(yīng)用功能的開發(fā)。因此，AUTOSAR Classic架構(gòu)及AUTOSAR Adaptive架構(gòu)針對不同的應(yīng)用場景可實(shí)現(xiàn)二者的共存和協(xié)作。自動駕駛汽車將采用同時(shí)包含AUTOSAR Classic以及AUTOSAR Adaptive的異構(gòu)軟件架構(gòu)，如圖33所示，繼承軟件分層控制思想，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，注重應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)化，并由車載操作系統(tǒng)為各類服務(wù)生態(tài)提供接口，掌控用戶交互界面。

圖33 包含AUTOSAR Classic以及AUTOSAR Adaptive異構(gòu)軟件架構(gòu)

2.車用操作系統(tǒng)

車用操作系統(tǒng)(automotive operating system，AOS)是管理車載計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的計(jì)算機(jī)程序，需要處理如管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入設(shè)備與輸出設(shè)備、操作網(wǎng)絡(luò)與管理系統(tǒng)文件等基本事務(wù)。操作系統(tǒng)的性能和生態(tài)系統(tǒng)對于開發(fā)“軟件定義汽車”所需的應(yīng)用程序和軟件平臺是至關(guān)重要的，一個(gè)好的車用操作系統(tǒng)需要大型生態(tài)系統(tǒng)和可靠的架構(gòu)支撐。車用操作系統(tǒng)要求如圖34所示。

圖34 車用車載系統(tǒng)要求

若車用操作系統(tǒng)功能欠佳，其代價(jià)不僅是工作效率低下，而且關(guān)乎生命安全，所以自動駕駛汽車的操作系統(tǒng)在監(jiān)控支配汽車時(shí)的反應(yīng)需要精確到微秒級，能夠?qū)崟r(shí)感知周圍環(huán)境并規(guī)劃出新的解決方案。

根據(jù)國家汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會在2019年10月發(fā)布的《車用操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系》劃分，車用操作系統(tǒng)按照應(yīng)用功能細(xì)分為三類：安全車控操作系統(tǒng)，主要面向車輛動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、車身系統(tǒng)等傳統(tǒng)控制領(lǐng)域，要求極高的實(shí)時(shí)性、可靠性、計(jì)算能力和(功能和信息)安全性；智能駕駛操作系統(tǒng)，主要面向智能駕駛(域控制器)領(lǐng)域，要求較高的安全性和可靠性；車載操作系統(tǒng)，體現(xiàn)人機(jī)交互功能。主要面向信息娛樂和智能座艙(中控系統(tǒng))，對安全性和可靠性要求低于車控操作系統(tǒng)和智能駕駛操作系統(tǒng)。汽車制造商開發(fā)自主操作系統(tǒng)方式主要分為三種，如圖35所示。

圖35 三種操作系統(tǒng)應(yīng)用

定制型操作系統(tǒng)是基于基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)，從系統(tǒng)內(nèi)核到應(yīng)用程序?qū)舆M(jìn)行深度重構(gòu)，將硬件資源進(jìn)行整合優(yōu)化。ROM型操作系統(tǒng)是基于需求定制汽車服務(wù)及以上層級，下層則基于Android等系統(tǒng)自有架構(gòu)。超級App是只在應(yīng)用層調(diào)用系統(tǒng)已有接口相關(guān)功能，其余層級則完全沿用已有系統(tǒng)架構(gòu)。定制型、ROM型、超級App，其內(nèi)涵如圖36所示。

圖36 定制型、ROM型、超級App含義

(1)基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)：目前基礎(chǔ)操作系統(tǒng)目前主要形成了以QNX為主，Linux次之的競爭格局，WinCE逐漸退出車載操作系統(tǒng)市場，未來在國際市場上，Android市場占有率將保持繼續(xù)上升趨勢。QNX、Linux、Android構(gòu)成汽車操作系統(tǒng)三大陣營?；A(chǔ)操作系統(tǒng)特點(diǎn)對比分析如圖37 所示。

圖37 基礎(chǔ)型三大陣型特點(diǎn)

(2)定制型操作系統(tǒng):在基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)之上進(jìn)行深度定制化開發(fā)而成，屬于自主研發(fā)的獨(dú)立操作系統(tǒng)。典型代表如大眾VW.OS、特斯拉Version、Google車載Android、華為鴻蒙OS、阿里AliOS等，如圖38所示。

圖38 定制型操作系統(tǒng)應(yīng)用的典型代表

(3)ROM型操作系統(tǒng)：國外傳統(tǒng)車企的ROM型車載操作系統(tǒng)：底層操作系統(tǒng)一般基于QNX或Linux開發(fā)，如圖39所示。由于國內(nèi)Android應(yīng)用生態(tài)更好，國內(nèi)自主品牌和造車新勢力大多基于Android定制汽車操作系統(tǒng)，例如比亞迪DiLink、吉利GKUI、小鵬Xmart OS等。

圖39 國外傳統(tǒng)車企基于QNX或Linux開發(fā)ROM型車載操作系統(tǒng)應(yīng)用

(4)超級App：超級汽車App又稱車機(jī)互聯(lián)或手機(jī)映射系統(tǒng)，不是完全意義上的汽車操作系統(tǒng)；其借助手機(jī)的豐富功能映射到汽車中控，以滿足車主對娛樂的需求。應(yīng)用品牌如圖40所示。由于容易實(shí)現(xiàn)并且成本較低，現(xiàn)階段仍是車主的主流選擇。

圖40 超級汽車App應(yīng)用

汽車操作系統(tǒng)作為硬件與軟件的接口，分層架構(gòu)如圖41所示。成為企業(yè)核心競爭點(diǎn)。底層操作系統(tǒng)主要有QNX、Linux及Andriod；目前主要采用基于底層系統(tǒng)研發(fā)獨(dú)立操作系統(tǒng)、基于ROM定制及在應(yīng)用層開發(fā)超級App三種方案切入該領(lǐng)域。(未完待續(xù))

圖41 汽車操作系統(tǒng)硬件與軟件的接口及其分層架構(gòu)