车联网软件架构：从面向功能向面向服务的 SOA 演变

• 陈博 2023年10月31日 来源：中研网 801 48
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虚拟化技术实现多操作系统共享一套硬件资源。整车分布式架构向集中式架构的演变，以及大算力芯片的应用，产生软件安全隔离的需求。其中引入虚拟机的概念，可以将物理服务器的CPU、内存、I/O等硬件资源被虚拟化并接受Hypervisor的调度，使得多个操作系统在Hypervisor的S

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 操作系统跟随硬件架构的跨域融合趋势数量在减少，按功能分类可分为车控操作系统、自动驾驶操作系统与智能座舱操作系统。跨域融合方案下，域操作系统正在逐渐形成，传统操作系统正由独立的多个操作系统向少数/一个操作系统发展。智能汽车操作系统从功能实现角度来看，大致可分为车控操作系统、自动驾驶操作系统与智能座舱操作系统，其中车控操作系统主要用于实现车身底盘控制、动力系统控制，自动驾驶操作系统主要用于实现自动驾驶功能，智能座舱操作系统主要用于实现车载娱乐信息系统功能以及实现HMI相应功能。操作系统是软件定义汽车发展基石。智能汽车SOA软件架构从上而下分别为应用软件、功能软件、中间件、底层操作系统(狭义操作系统)、车载芯片软件(BSP)、虚拟机(Hypervisor)与芯片，其中功能软件、中间件、底层操作系统、车载芯片软件与虚拟机组成广义操作系统，统称为系统层软件，是管理和控制智能汽车硬件与软件资源的底层，提供运行环境、运行机制、通信机制和安全机制等。

底层操作系统是操作系统的内核，提供了最基础的功能。底层操作系统对内负责协调进程和管理软硬件资源，对外提供接口实现交互，从根本上决定了系统的性能和稳定性，是系统软件层的核心。由于开发难度大且安全性要求最高，市场竞争格局主要以QNX、Linux、Android为主。

中间件是介于底层操作系统与上层应用程序之间的软件模块，目前自动驾驶与智能座舱的中间件正处于百花齐放的时期。中间件可以简单地理解成中间层软件，它和底层软件紧密结合，构成平台软件，由此联结上层应用层算法和下层硬件(如芯片、传感器等)。通过平台软件，可以实践"软件定义汽车"软硬件解耦的系统论。应用层可以在任何芯片、任何域控上进行快速移植和部署，硬件也不需要关注对应的接口匹配。目前市场上主流的中间件方案为AUTOSAR，是汽车行业内应用相对成熟的中间件。AUTOSAR中对各功能模块进行了封装，并对模块与模块之间的接口进行标准化，从而实现汽车软硬件解耦。ClassicAUTOSAR(AUTOSARCP)方案应用于分布式架构下的MCU上，拥有更高的功能安全与实时性，适用于动力、制动等传统ECU;为支持高级自动驾驶需求，AUTOSAR联盟推出AdaptiveAUTOSAR(AUTOSARAP)，同时基于机器人软件中间件打造的ROS(2.0)中间件方案也可以用于高级自动驾驶。同时随着传感器的数量增加，数据来源增多，多元异构数据在芯片之间、各任务进程之间的高效、稳定传递需要引入通信中间件。SOME/IP与DDS是面向服务的通信协议，都可以共存于AUTOSARAP中，其中SOME/IP相对闭源，DDS可以用于开源商用，但大多数DDS商业版是非车规的，主机厂需要进行二次开发。自动驾驶与智能座舱领域的中间件目前正处于百花齐放时期，自动驾驶中间件有AUTOSARAP、DDS、ROS(2.0)三种主流方案，主机厂可基于此进行二次开发，而智能座舱目前还没有形成严格行业标准与主流方案。百花齐放的行业状态也为本土中间件企业带来了发展机遇，本土企业可以根据客户的需求进行定制化开发，满足大多数主机厂目前的"自研"需求，同时定价也更加灵活，具有快速响应优势和本土沟通的优势。

虚拟化技术实现多操作系统共享一套硬件资源。整车分布式架构向集中式架构的演变，以及大算力芯片的应用，产生软件安全隔离的需求。其中引入虚拟机的概念，可以将物理服务器的CPU、内存、I/O等硬件资源被虚拟化并接受Hypervisor的调度，使得多个操作系统在Hypervisor的协调下可以共享同一套硬件资源，同时每个操作系统又可以保存彼此的独立性。以智能座舱为例，一个座舱SoC芯片可以完成对多个座舱电子设备信号的处理和控制，虚拟机管理的概念被引入智能座舱操作系统，在单个Soc芯片上允许符合车规级安全标准的QNX、Linux、安卓系统共同运行。目前常见的Hypervisor包括QNXHypervisor、英特尔的ACRN、Mobica的XEN、大陆L4RE等，其中QNXHypervisor是唯一通过ASILD的安全合规水平以及预认证水平的管理程序，应用到量产车型。

广义操作系统通过对底层操作系统进行不同程度的改造，形成三类操作系统。智能汽车SOA软件架构中的功能软件、中间件、底层操作系统、车载芯片软件与虚拟机组成广义操作系统。广义操作系统按照对底层操作系统的改造程度可分为基础操作系统、定制型操作系统与ROM型操作系统：①基础型操作系统包括系统内核、底层驱动等，提供操作系统最基本的功能，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性;目前底层操作系统为开源框架，暂不受版权和知识产权的影响，一般不属于企业考虑开发的技术范围。②定制版操作系统则是在基础型操作系统之上进行深度定制化开发，如修改内核、硬件驱动、运行时环境、应用程序框架等，属于自主研发的独立操作系统。③ROM型操作系统是基于Linux或安卓等基础型操作系统进行有限的定制化开发，不涉及系统内核更改，一般只修改更新操作系统自带的应用程序等。大部分的主机厂一般都选择开发ROM型操作系统，国外主机厂多选用Linux作为底层操作系统，国内主机厂则偏好Android应用生态。

底层操作系统应用上，智能座舱以QNX、Linux、Android为主，智能驾驶以Linux为主。在智能座舱领域，得益于Linux与Android开源特性，其广泛应用于车载信息娱乐系统，QNX由于其稳定性与安全性更多的应用于车载仪表盘。自动驾驶相比于智能座舱需要引入大量的车外的传感器，如毫米波雷达、激光雷达、摄像头等，因此涉及大量数据的处理，对底层OS的开放性要求更高，QNX开放程度不够，而Linux的开放性较高，因此Linux受到广泛应用。

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