汽车操作系统最新研究

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前言

软件定义汽车背景下，操作系统是汽车生态发展的灵魂。随着汽车电动化、智能化、网联化的发展，汽车操作系统已经成为车辆中重要的组成部分之一，一定程度上决定了车辆的安全性、舒适度、智能化水平和整体性能。

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1、汽车操作系统简介

汽车操作系统是运行在异构分布硬件架构上的实时安全平台软件，提供整车及部件感知、规划、控制等功能框架并向上支撑智能网联驾驶生态的软件集合，是汽车智能计算基础平台安全、实时和高效运行的重要基础和核心支撑。

汽车操作系统包括安全车载操作系统、智能驾驶操作系统和智能座舱操作系统。

① 安全车载操作系统

安全车载操作系统主要面向经典车辆控制领域，如动力系统、底盘系统和车身系统等，该类操作系统对实时性和安全性要求极高，生态发展已趋于成熟。

安全车载操作系统主要是实时操作系统RTOS，主要应用对象是 ECU。ECU对安全车载操作系统最基本的要求是高实时性，系统需要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具有高可靠性、实时性、交互性以及多路性的优势，系统响应极高，通常在毫秒或者微秒级别，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，定义了安全车载操作系统的技术规范。

② 智能驾驶操作系统

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，是汽车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并不严苛。

主流车型的智能座舱操作主要包括QNX、Linux、Android等，传统智能座舱操作系统中QNX占据了绝大部分份额，近年来，智能座舱的娱乐与信息服务属性越发凸显，开源的Linux以及在手机端拥有大量成熟信息服务资源的Android被众多主机厂青睐，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。

随着人们对车辆由单纯交通工具向智能移动终端转变的需求，智能座舱操作系统需要支持多样化的应用与服务，并且具有丰富的生态资源。

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2、国内外主流汽车操作系统方案简介

随着自动驾驶技术的快速发展，汽车对软件特别是操作系统的变革需求越来越高，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的人力、物力和财力进行汽车操作系统的研发，希望在软件定义汽车的时代能够占据一席之地。下面对目前国内外主流汽车操作系统的开发和应用情况进行简单介绍。

① 特斯拉Autopilot自动驾驶软件架构

大众汽车为了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采用的是基于Adaptive AUTOSAR 面向服务的软件架构，其中，中央集中式软件架构如上图所示。

大众新一代EE架构的设计特点主要有：

采用高性能处理器、高速网络

兼容POSIX的内核（Linux/QNX等）+Adaptive AUTOSAR

应用软件和I/O功能解耦，减少整个系统的复杂性和应用之间的依赖性

高效、快速地开发用户功能采用面向服务的通信

③ 华为MDC智能驾驶计算平台架构

英伟达（NVIDIA）是全球领先的人工智能计算公司，利用其先进的硬件芯片开发优势，以行业较领先的高性能安全芯片为核心，提供完整的硬件平台和基础软件平台，其架构如上图所示。NVIDIA计算平台硬件目前处在Xavier阶段，下一代平台Orin已发布但并未上市。Xavier是NVIDIA首次生产的车规级系统级芯片，该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，面向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认证。

⑤ 百度Apollo开放平台架构

AUTOSAR成员已超过280个（数据截至2021.04）

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。Classic AUTOSAR的软件架构如下图所示，其主要特点是面向功能的架构（FOA），采用分层设计，实现应用层、基础软件层和硬件层的解耦。

日本汽车软件平台架构组织JasPar

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Classic AUTOSAR标准的工具进行ECU的设计、开发、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，旨在中国推广和发展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。

智能驾驶操作系统纵向分层示意图

各层之间各司其职，分工不同：

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：负责和不同操作系统对接，并给上面应用提供通讯，资源管理等服务

应用/功能软件：剩下都是它的事

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）

三者之间的主要特点对比如下图所示：

Adaptive AUTOSAR架构逻辑视图（R20-11）

AUTOSAR组织为应对自动驾驶技术的发展推出了Adaptive AUTOSAR（AP）架构，如上图所示。其主要特点是采用面向服务的架构（SOA），服务可根据应用需求动态加载，可通过配置文件动态加载配置，并可进行单独更新。相对于Classic AUTOSAR（CP），可以满足更强大的算力需求，更安全，兼容性好，可进行敏捷开发。

Adaptive AUTOSAR系统主要适应于新的集中式的高性能计算平台，满足车内部件之间的高速通信需求和智能驾驶的高计算能力需求。AP平台采用了服务化的架构，系统由一系列的服务组成，应用和其他软件模块可以根据需求调用其中的一个或者多个服务，而服务可以是平台提供的，也可以是远程其他部件提供，OEM可以按照功能设计需求定义自己的服务组合。

AP平台没有设计新的操作系统内核，所有符合POSIX PSE51接口的操作系统内核都可以使用，AP平台重点是在操作系统内核之上的系统服务中间层，主要分为平台基础功能和平台服务功能两部分。AP平台主要的三个支撑和演进方向是：安全（包含信息安全和功能安全），连接（包括车内和车外各种新的通信机制），可升级（包含OTA，灵活的软件设计和管理等）。AP平台仍采用传统的标准设计方式，每年一个版本集中进行新的功能发布。

ROS

QNX CAR 应用平台

QNX 是一种商用的遵从POSIX规范的类Unix实时操作系统，目标市场主要是面向嵌入式系统，具备高运行效率、高可靠性的特点，并在工控领域拥有近40年的使用经验，被广泛应用于汽车、轨道交通、航空航天等对安全性、实时性要求较高的领域。QNX是全球第一款通过ISO 26262 ASIL D安全认证的智能座舱操作系统，已匹配全球超过40个汽车品牌，并应用于6000多万辆汽车，是目前市场占有率第一的智能座舱操作系统，全球市场份额超过75%。

Android

Android 凭借国内丰富的应用生态切入汽车 IVI 系统。虽然安全性、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，Android仍然凭借其上述优点在国内车载信息娱乐系统领域占据主流地位。尤其是各大互联网巨头、自主品牌、造车新势力纷纷基于Android进行定制化改造，推出了自己的汽车操作系统，如阿里AliOS、百度小度车载OS、比亚迪DiLink、蔚来NIO OS、小鹏Xmart OS 等。

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结语

智能座舱和自动驾驶的发展，特斯拉的突飞猛进，让各大主机厂越来越重视汽车操作系统。但车企现在所做的软件定义汽车，大都是通过软硬件解耦来降低造车成本、丰富新车功能，在操作系统层面大都还停留在市场调研和学习借鉴阶段。

鉴于美国不断封锁打压中国高科技企业，从国家层面来说，拥有自主可控的车载芯片和操作系统是一个必然的要求。但研发一个新的操作系统，有足够的时间、人力、财力和技术能力吗发失败了怎么办发出来之后只为了供给自己使用么盈利果投入市场能有一席之地吗些都是需要考虑的问题。

智能网联和EEA的发展，有可能进一步推动全球零部件供应商收购汽车操作系统和软件/芯片相关的厂商。而目前，中国大型的汽车电子企业少有如此的战略眼光进行这样的布局，同时也缺乏整合垂直技术的能力。相比之下，原本封闭的日系车企已经迈出了垂直整合的步伐，这值得国内车企思考。

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来源：小熊coder