??引言
本文節(jié)選自汽標(biāo)委智能網(wǎng)聯(lián)汽車分標(biāo)委今年7月編撰的《汽車控制總體技術(shù)要求研究報告》，本報告由國汽（北京）智能網(wǎng)聯(lián)汽車研究院有限公司、華為技術(shù)有限公司牽頭，共30余家單位參與撰寫。
2.2 車控操作系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
2.2.1 安全車控操作系統(tǒng) ?
安全車控操作系統(tǒng)國外發(fā)展較早，目前已經(jīng)開展了一系列的標(biāo)準(zhǔn)化工作，國內(nèi)目前主要處于跟隨狀態(tài)。歐洲在20 世紀(jì)90 年代發(fā)展出用于汽車電子上分布式實(shí)時控制系統(tǒng)的開放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)OSEK/VDX，主要包括4 部分標(biāo)準(zhǔn)：1）操作系統(tǒng)規(guī)范（OS）；2）通信規(guī)范；3）網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范；4）OSEK 實(shí)現(xiàn)語言。但隨著技術(shù)、產(chǎn)品、客戶需求等的升級，OSEK 標(biāo)準(zhǔn)逐漸不能支持新的硬件平臺。
2003 年，寶馬、博世、大陸、戴姆勒、通用、福特、標(biāo)志雪鐵龍、豐田、大眾9 家企業(yè)作為核心成員，成立了一個汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)組織（簡稱AUTOSAR 組織），致力于建立一個標(biāo)準(zhǔn)化平臺，獨(dú)立于硬件的分層軟件架構(gòu)，制定各種車輛應(yīng)用接口規(guī)范和集成標(biāo)準(zhǔn)，為應(yīng)用開發(fā)提供方法論層面的指導(dǎo)，以減少汽車軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高汽車軟件的靈活性和開發(fā)效率，以及在不同汽車平臺的復(fù)用性。AUTOSAR 以O(shè)SEK/VDX 為基礎(chǔ)，但涉及的范圍更廣。
截至目前，AUTOSAR 組織已發(fā)布Classic 和Adaptive 兩個平臺規(guī)范，分別對應(yīng)安全控制類和自動駕駛的高性能類。Classic 平臺基于OSEK/VDX 標(biāo)準(zhǔn)，定義了安全車控操作系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范。Classic AUTOSAR 的軟件架構(gòu)如圖5 所示，其主要特點(diǎn)是面向功能的架構(gòu)（FOA），采用分層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層、基礎(chǔ)軟件層和硬件層的解耦。
AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)平臺由于采用開放式架構(gòu)和縱向分層、橫向模塊化架構(gòu)，不僅提高了開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，同時保障了車輛的安全性與一致性。AUTOSAR 組織發(fā)展至今，得到了越來越多的行業(yè)認(rèn)可，目前已有超過180 家的車、零部件、軟件、電子等領(lǐng)域的成員。AUTOSAR 目前已經(jīng)成為國際主流的標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)，基于 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)平臺，擁有完整的汽車軟件解決方案的企業(yè)主要有Vector、KPIT、ETAS 、DS 以及被大陸收購的Elektrobit 和被西門子收購的MentorGraphics。此外，寶馬、沃爾沃等汽車廠商都相繼推出了基于AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)平臺的車型。
在日本，日本汽車軟件平臺架構(gòu)組織（Japan Automotive Software Platform Architecture，JasPar）成立于2004 年，旨在聯(lián)合企業(yè)橫向定制兼顧汽車軟硬件的通信標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)車控操作系統(tǒng)的通用化，提高基礎(chǔ)軟件的再利用率等。JasPar 組織成員包括絕大多數(shù)的日系汽車及配套軟硬件產(chǎn)品廠商。
我國主機(jī)廠及零配件供應(yīng)商目前主要使用Classic AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軟件開發(fā)。一汽集團(tuán)、長安集團(tuán)等主機(jī)廠于2009 年開始利用Classic AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)的工具進(jìn)行ECU 的設(shè)計(jì)、開發(fā)、驗(yàn)證。同時，上汽集團(tuán)、一汽集團(tuán)、長安集團(tuán)、奇瑞集團(tuán)等主機(jī)廠和部分高校成立了CASA 聯(lián)盟，旨在中國推廣和發(fā)展AUTOSAR 架構(gòu)。目前江淮汽車也是主要基于Classic AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軟件和產(chǎn)品開發(fā)。
在產(chǎn)品方面，普華軟件是中國電子科技集團(tuán)的國產(chǎn)操作系統(tǒng)戰(zhàn)略平臺，并作為牽頭單位承擔(dān)了關(guān)于汽車電子操作系統(tǒng)的十一五、十二五核高級重大專項(xiàng)，所形成的車控操作系統(tǒng)在車身控制模塊（BCM）、新能源整車控制器（VCU/HCU）、電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）等關(guān)鍵零部件得到量產(chǎn)應(yīng)用，并已被德國博世的先進(jìn)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）量產(chǎn)使用。
東軟睿馳發(fā)布了NeuSAR 產(chǎn)品，其基于AUTOSAR 研發(fā)制作，為自主研發(fā)自動駕駛系統(tǒng)的OEM 整車企業(yè)及零部件供應(yīng)商提供的面向下一代汽車通訊和計(jì)算架構(gòu)的系統(tǒng)平臺，包含AUTOSAR Classic、AUTOSAR Adaptive 及系列開發(fā)系統(tǒng)工具。
2.2.2 智能駕駛操作系統(tǒng)?
智能駕駛操作系統(tǒng)將會成為自動駕駛汽車發(fā)展的核心競爭力之一，由于安全車控操作系統(tǒng)相對成熟，且智能駕駛操作系統(tǒng)部分包含安全車控操作系統(tǒng)，所以本文提到的車控操作系統(tǒng)主要是指智能駕駛操作系統(tǒng)。智能駕駛操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢和特點(diǎn)是縱向分層，以實(shí)現(xiàn)層與層之間的解耦，方便快速開發(fā)和移植，如圖6 所示。
AUTOSAR 組織為應(yīng)對自動駕駛技術(shù)的發(fā)展推出了Adaptive AUTOSAR（AP）架構(gòu)，如圖7 所示，其主要特點(diǎn)是采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA），服務(wù)可根據(jù)應(yīng)用需求動態(tài)加載，可通過配置文件動態(tài)加載配置，并可進(jìn)行單獨(dú)更新，相對于Classic AUTOSAR（CP），可以滿足更強(qiáng)大的算力需求，更安全，兼容性好，可進(jìn)行敏捷開發(fā)。
Adaptive AUTOSAR 系統(tǒng)主要適應(yīng)于新的集中式的高性能計(jì)算平臺，滿足車內(nèi)部件之間的高速通信需求和智能駕駛的高計(jì)算能力需求。AP 平臺采用了服務(wù)化的架構(gòu)，系統(tǒng)由一系列的服務(wù)組成，應(yīng)用和其他軟件模塊可以根據(jù)需求調(diào)用其中的一個或者多個服務(wù)，而服務(wù)可以是平臺提供的，也可以是遠(yuǎn)程其他部件提供，OEM 可以按照功能設(shè)計(jì)需求定義自己的服務(wù)組合。AP 設(shè)計(jì)也在CP 成功的設(shè)計(jì)方法論的指導(dǎo)下進(jìn)行開發(fā)，兼顧靈活和功能安全的確定性需求，同時可以進(jìn)行整車功能的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，兼顧安全車控和智能駕駛系統(tǒng)。AP 平臺沒有設(shè)計(jì)新的操作系統(tǒng)內(nèi)核，所有符合POSIX PSE51 接口的操作系統(tǒng)內(nèi)核都可以使用，AP 平臺重點(diǎn)是在操作系統(tǒng)內(nèi)核之上的系統(tǒng)服務(wù)中間層，主要分為平臺基礎(chǔ)功能和平臺服務(wù)功能兩部分。平臺基礎(chǔ)功能更多的是本地服務(wù)，采用庫的方式進(jìn)行調(diào)用，如生命周期管理、通信管理、存儲管理、診斷功能等；平臺服務(wù)不限制服務(wù)的提供實(shí)例的位置，采用互聯(lián)網(wǎng)常用的服務(wù)類似的調(diào)用方式，如升級管理、網(wǎng)絡(luò)管理、狀態(tài)管理、傳感器服務(wù)接口等。AP 平臺主要的三個支撐和演進(jìn)方向是：安全（包含信息安全和功能安全），連接（包括車內(nèi)和車外各種新的通信機(jī)制），可升級（包含OTA，靈活的軟件設(shè)計(jì)和管理等）。AP 平臺仍采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方式，每年一個版本集中進(jìn)行新的功能發(fā)布。
雖然AUTOSAR AP 在繼承ATUOSAR CP 成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用了很多互聯(lián)網(wǎng)的思路來設(shè)計(jì)，但是由于汽車軟件需求變化較快，仍存在很多問題，如傳統(tǒng)的AUTOSAR 方法論配置繁瑣，支持的通信速率低，不支持解耦部署策略和動態(tài)升級方案，特別是車車協(xié)同、車路協(xié)同、車云協(xié)同等還一直處于需求討論階段，沒有支持的時間表。
AUTOSAR AP 平臺是適應(yīng)新一代電子電氣架構(gòu)下的集中式計(jì)算需求而產(chǎn)生的，但只是整車功能中的一小部分，缺乏從整車電子電氣系統(tǒng)視角考慮信息安全、功能安全、通信等需求。在底層操作系統(tǒng)之上， 軟件中間件在智能駕駛領(lǐng)域也備受關(guān)注。中間件的主要目標(biāo)是為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)通信、協(xié)議對齊、計(jì)算調(diào)度、模塊化封裝等常用功能，為應(yīng)用開發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的開發(fā)框架，實(shí)現(xiàn)模塊解耦和代碼復(fù)用。ROS 作為最早開源的機(jī)器人軟件中間件，很早就被機(jī)器人行業(yè)使用，很多知名的機(jī)器人開源庫，比如基于quaternion 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、3D 點(diǎn)云處理驅(qū)動、定位算法SLAM 等都是開源貢獻(xiàn)者基于ROS 開發(fā)的。ROS 的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復(fù)用率。ROS 是一個分布式的進(jìn)程（也就是“節(jié)點(diǎn)”）框架，這些進(jìn)程被封裝在易于被分享和發(fā)布的程序包和功能包中。整個智能駕駛系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)有很強(qiáng)的相似度，ROS 的開源特性，豐富的開源庫和工具鏈，特別在智能駕駛的研究領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，很多自動駕駛的原型系統(tǒng)中都能夠看到 ROS 的身影，例如AUTOWARE，百度 Apollo 最初也是使用了 ROS，直至Apollo 3.5版本才切換至自研的車載中間件Cyber RT。
ROS 在發(fā)展過程中主要有兩個版本，ROS1 和ROS2，ROS1 的通信依賴中心節(jié)點(diǎn)的處理，無法解決單點(diǎn)失敗等可靠性問題。為了更好的符合工業(yè)級的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，ROS2 最大的改變是，取消Master 中央節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的分布式發(fā)現(xiàn)，發(fā)布/訂閱，請求/響應(yīng)；底層基于DDS（數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）這個工業(yè)級的通信中間件通信機(jī)制，支持多操作系統(tǒng)，包括Linux、windows、Mac、RTOS 等。雖然ROS2 基于ROS1 有了很大的改進(jìn)，但是距離完全車規(guī)應(yīng)用還有很大的距離，有些公司如APEX.AI 也在對ROS 進(jìn)行車規(guī)級的改造嘗試。
目前普遍采用的車控操作系統(tǒng)底層內(nèi)核主要有Linux、QNX 和其他RTOS（如FreeRTOS、ThreadX、VxWorks 等），三者之間的主要特點(diǎn)對比如表2 所示。
Linux 最初是作為通用操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)開發(fā)的，但提供了一些實(shí)時處理支持，這包括大部分POSIX 標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)時功能，支持多任務(wù)、多線程，具有豐富的通信機(jī)制等。除此之外，Linux 社區(qū)有實(shí)時性增強(qiáng)patch，在Linux 內(nèi)核原有RT 功能上，增加了中斷線程化、優(yōu)先級默認(rèn)繼承等功能。Linux 也提供了符合POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度策略，包括FIFO 調(diào)度策略、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略和靜態(tài)優(yōu)先級搶占式調(diào)度策略。另外，Linux 還提供了內(nèi)存鎖定功能，以避免在實(shí)時處理中存儲頁面被換出，同時提供了符合POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時信號機(jī)制。
QNX 是一種商用的遵從POSIX 規(guī)范的類Unix 實(shí)時操作系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是符合分布式、嵌入式、可規(guī)模擴(kuò)展的硬實(shí)時操作系統(tǒng)。QNX 遵循POSIX.1 (程序接口）和POSIX.2 (Shell 和工具）、部分遵循POSIX.1b（實(shí)時擴(kuò)展）。QNX 的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是它區(qū)別于其它操作系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)。QNX 的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核獨(dú)立自處于一個被保護(hù)的地址空間；驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用程序處于程序空間中。
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