汽車操作系統(tǒng)的教程信息及看法

Understanding automotive operating system perspectives is paramount to ensuring safe and reliable vehicles.

操作系統(tǒng) (OS) 是管理基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)的所有硬件和軟件所必需的，它是汽車行業(yè)的關(guān)鍵軟件平臺(tái)。本文重點(diǎn)介紹汽車操作系統(tǒng)策略的教程信息和一些觀點(diǎn)。

每個(gè)操作系統(tǒng)在功能、程序大小、復(fù)雜性、開發(fā)工作量和硬件要求以及終身維護(hù)、支持工作量和成本方面都有很大差異。一個(gè)操作系統(tǒng)的范圍可以從幾千行代碼的簡(jiǎn)單控制程序到Linux、macOS、iOS和Windows等主要操作系統(tǒng)的幾千萬行代碼。Linux 內(nèi)核代碼大小因發(fā)行公司而異，GitHub 版本約有 2800 萬行代碼。

Wikipedia 是有關(guān)操作系統(tǒng)歷史、技術(shù)和產(chǎn)品信息的重要來源。有關(guān)于操作系統(tǒng)技術(shù)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，但大部分內(nèi)容都集中在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，從大型計(jì)算機(jī)和個(gè)人電腦到智能手機(jī)和平板電腦。有關(guān)于領(lǐng)先的汽車操作系統(tǒng)（如 Linux 和 QNX）的一般信息，但很少有關(guān)于汽車操作系統(tǒng)使用的上下文和信息。

操作系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)提供計(jì)算機(jī)硬件和應(yīng)用程序之間的接口。這通過遵循編程到操作系統(tǒng)中的規(guī)則和程序來限制應(yīng)用程序使用硬件。該操作系統(tǒng)還包括簡(jiǎn)化應(yīng)用程序開發(fā)和執(zhí)行的服務(wù)。這些服務(wù)包括管理應(yīng)用程序?qū)⑹褂玫乃杏布Y源——將程序加載到內(nèi)存中、與傳感器和執(zhí)行器通信、存儲(chǔ)結(jié)果以及許多其他功能。

還有許多其他軟件功能被認(rèn)為是操作系統(tǒng)的一部分，包括所謂的中間件、庫(kù)和其他系統(tǒng)軟件。

操作系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于開發(fā)軟件定義車輛所需的應(yīng)用程序和軟件平臺(tái)也很重要。換句話說，最好的操作系統(tǒng)選擇需要一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施來支持未來不斷增長(zhǎng)的軟件定義車輛。

下表總結(jié)了汽車操作系統(tǒng)的要求。

操作系統(tǒng)的許多特性決定了它的功能。單任務(wù)操作系統(tǒng)一次只能運(yùn)行一個(gè)程序，而多任務(wù)操作系統(tǒng)可以運(yùn)行多個(gè)程序。單用戶操作系統(tǒng)沒有區(qū)分用戶的功能，但可能允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行。

多用戶操作系統(tǒng)擴(kuò)展了多任務(wù)處理以運(yùn)行來自多個(gè)用戶的程序。這需要跟蹤每個(gè)用戶正在使用的硬件和軟件資源。該系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)與系統(tǒng)交互。

操作系統(tǒng)內(nèi)核

操作系統(tǒng)內(nèi)核包括管理硬件和軟件的所有關(guān)鍵功能。組織內(nèi)核有兩種主要方法：?jiǎn)纹瑑?nèi)核或微內(nèi)核操作系統(tǒng)。單片內(nèi)核架構(gòu)包括內(nèi)核空間中的所有核心操作系統(tǒng)功能——所有系統(tǒng)調(diào)用和操作系統(tǒng)服務(wù)都集中在一個(gè)地方。Linux 是領(lǐng)先的單片內(nèi)核操作系統(tǒng)。

微內(nèi)核操作系統(tǒng)具有幾乎最少數(shù)量的軟件，可以提供實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)所需的機(jī)制。額外的操作系統(tǒng)服務(wù)被組織為分層服務(wù)，可以根據(jù)需要由微內(nèi)核激活。這意味著微內(nèi)核操作系統(tǒng)具有模塊化架構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)是微內(nèi)核具有較小的代碼空間，并且可以比單片內(nèi)核操作系統(tǒng)更安全。模塊化操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更適合大多數(shù)汽車 ECU。QNX 是領(lǐng)先的微內(nèi)核操作系統(tǒng)。

管理程序操作系統(tǒng)

管理程序是一個(gè)小型軟件平臺(tái)，用于管理多個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)及其應(yīng)用程序。它也可以稱為虛擬機(jī) (VM) 監(jiān)視器，它是運(yùn)行 VM 的軟件。

自 1960 年代以來，虛擬化一直用于計(jì)算機(jī)行業(yè)，是 IT 數(shù)據(jù)中心的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。管理程序?qū)τ趯⑿畔蕵泛凸δ馨踩δ埽ɡ缬糜趥溆帽O(jiān)視器的主機(jī)顯示器）結(jié)合起來非常重要。

功能安全操作系統(tǒng)

許多 ECU 需要具有功能安全認(rèn)證的操作系統(tǒng)。這意味著具有各種汽車安全完整性等級(jí) (ASIL) 的 ISO 26262 認(rèn)證。該標(biāo)準(zhǔn)確定了四種 ASIL：ASIL A、B、C 和 D。ASIL D 具有最高的完整性要求。

所有基于 AUTOSAR 的操作系統(tǒng)——例如 Vector 的 Microsar 操作系統(tǒng)、ETAS 的 RTA-OS 和 Elektrobit 的 EB Tresos 安全操作系統(tǒng)——都具有功能安全等級(jí)。汽車 ECU 中常用的其他三種產(chǎn)品：Green Hills Integrity RTOS、Wind River VxWorks 和 BlackBerry QNX。您可以在本文中了解有關(guān)功能安全信息的更多信息。

功能安全操作系統(tǒng)無法管理具有大型復(fù)雜軟件代碼的 ECU，例如信息娛樂系統(tǒng)和新興領(lǐng)域的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) ECU 和自動(dòng)駕駛汽車 (AV) ECU。QNX 是個(gè)例外，它是信息娛樂領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，在 ADAS 和 AV 域 ECU 方面處于有利地位。

信息娛樂中對(duì)高性能操作系統(tǒng)的需求為 Linux 版本打開了大門，并使其成為過去五年中最受歡迎的信息娛樂操作系統(tǒng)。Linux 的一個(gè)缺點(diǎn)是缺乏功能安全認(rèn)證。當(dāng)需要功能安全應(yīng)用程序作為基于 Linux 的 ECU 的一部分時(shí)，管理程序操作系統(tǒng)一直是 Linux 的解決方案。

看起來 Linux 在不久的將來至少會(huì)有一個(gè)功能安全版本。2022 年 5 月，通用汽車宣布將使用獲得功能安全認(rèn)證的紅帽 Linux 版本。通用汽車計(jì)劃在 2023 年推出產(chǎn)品。目前尚不清楚紅帽是否已經(jīng)獲得功能安全認(rèn)證，但其他 Linux 供應(yīng)商很可能會(huì)嘗試獲得功能安全認(rèn)證。谷歌的信息娛樂操作系統(tǒng)正在快速發(fā)展，看起來像是功能安全的候選者。

操作系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)支持

操作系統(tǒng)成功的關(guān)鍵是龐大的支持生態(tài)系統(tǒng)。支持操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)越多，它就越成功。操作系統(tǒng)可以在領(lǐng)先的微處理器平臺(tái)和特定的 MCU 實(shí)現(xiàn)上運(yùn)行也很重要。但是，由于汽車 ECU 以基于 ARM 的微處理器為主，因此很容易滿足這一要求。

所有 MCU 應(yīng)用軟件都必須通過操作系統(tǒng)運(yùn)行，這意味著成功的操作系統(tǒng)應(yīng)該有良好的軟件開發(fā)支持。

操作系統(tǒng)成本因素

有許多因素決定了使用操作系統(tǒng)的成本。本討論假設(shè)操作系統(tǒng)是由汽車 OEM 購(gòu)買而不是開發(fā)的。

The first factor is the licensing cost of the OS, which includes the OS kernel, middleware, and library software such as math, floating point, graphics, and others. The Linux kernel OS is an open–source code and is a free software platform. In most cases, there are licensing fees for Linux middleware and some libraries.

The size of an OS will impact the amount of hardware required to run software with its applications. The total code size impacts the maximum permanent storage size needed. In the disk era, this was not much of a factor, as most hard disk drives were big enough. Today, the permanent storage is primarily NAND chips or eMMC modules, which can often add extra cost for OS size.

The OS footprint is the amount of RAM needed to run the OS and its applications. Again, the size of the OS footprint can impact the memory cost of the system.

Another factor is the hardware cost, where the OS may impact the MCU cost. A large OS is likely to increase the needed MCU performance, which could increase the hardware costs.

The reason for this discussion is to weigh all potential OS cost factors. It is too easy to assume that the free OS kernel of a Linux OS will provide enough cost savings to outweigh potential extra costs that a large OS will generate.

ECU software development

ECU software development is crucial to the automotive industry, and complexity and effort continue to grow. Traditional ECU software development was initially done via software development kits (SDKs) from multiple suppliers. SDKs have been replaced by integrated development environments (IDEs) that have much better capabilities and have expanded into web–based IDE systems. The Eclipse IDE has become the most popular software development system for auto and many other industries. Eclipse is managed by the Eclipse Foundation, a nonprofit corporation founded by IBM in 2001.

Web–centric software development is growing rapidly, with Amazon AWS being especially active. AWS is building partnerships to serve the need for better software development with SaaS functionality included. Microsoft Azure and others are also experiencing similar growth.

There is also a trend to provide software development systems focused on functional–safety applications. Apex.AI is a prime example of this trend.

Emerging ECU needs

The OS also needs to incorporate support for emerging technology needs. Cybersecurity is most important, and all OSes include security as a core function. Additional hardware, software, and cloud–based cybersecurity is becoming standard in software–defined vehicles and needs as much support as possible, including from the OS.

OTA software updates are also growing in importance and can use extra support from OS services. OTA platforms are increasing in capabilities from both embedded software and cloud functionality.

ECU 數(shù)據(jù)提取是第三類，它是擴(kuò)展聯(lián)網(wǎng)汽車功能的一部分。它還可以從操作系統(tǒng)服務(wù)和新功能中受益。

操作系統(tǒng)戰(zhàn)略觀點(diǎn)

所有汽車 ECU 都需要一個(gè)控制程序或操作系統(tǒng)來管理各種控制硬件組件和每個(gè) ECU 旨在完成的應(yīng)用程序的程序。隨著 ECU 復(fù)雜性的增加，操作系統(tǒng)的復(fù)雜性也在增加。原始設(shè)備制造商將需要多個(gè)操作系統(tǒng)來涵蓋廣泛的 ECU 能力和功能。

對(duì)于簡(jiǎn)單的 ECU，OEM 似乎更喜歡基于 AUTOSAR 的操作系統(tǒng)。AUTOSAR 功能有所增加，但無法處理高端 ECU 復(fù)雜性，例如信息娛樂和大多數(shù)領(lǐng)域 ECU。Green Hills 和 Wind River 都擁有出色的操作系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的安全性和安全性評(píng)級(jí)，是不錯(cuò)的選擇。

高端 ECU 主要使用 QNX 或 Linux 版本作為操作系統(tǒng)，在需要功能安全時(shí)優(yōu)先使用 QNX。Linux 已超越 QNX 成為最受歡迎的信息娛樂操作系統(tǒng)。QNX 正在成為域 ECU 的最愛，至少對(duì)于 ADAS 和 AV 域 ECU 而言。

有大量新聞報(bào)道稱，包括大眾和梅賽德斯-奔馳在內(nèi)的多家 OEM 正在討論開發(fā)自己的汽車操作系統(tǒng)。這是否意味著他們正在考慮制造而不是購(gòu)買決定？這種策略并非沒有風(fēng)險(xiǎn)。

開發(fā)操作系統(tǒng)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，并且操作系統(tǒng)的生命周期可能為 30 到 40 年，并定期更新和不斷的技術(shù)改進(jìn)。Linux 大約有 30 年的發(fā)展，而 QNX 有近 40 年的發(fā)展。

開發(fā)汽車操作系統(tǒng)需要大量的技術(shù)專長(zhǎng)，但供應(yīng)有限，而且需要多年的開發(fā)。

GM 使用具有功能安全認(rèn)證的 Red Hat Linux 的策略是為復(fù)雜的 ECU 獲得自己的操作系統(tǒng)的更好方法。

最佳的長(zhǎng)期操作系統(tǒng)策略是什么？最佳實(shí)踐是從兩個(gè) ECU 類別可能最安全的操作系統(tǒng)開始 - 低復(fù)雜性和高復(fù)雜性。為什么？因?yàn)?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)安全問題將是汽車行業(yè)數(shù)十年來面臨的最嚴(yán)峻問題，而操作系統(tǒng)將發(fā)揮作用。

對(duì)于低復(fù)雜度的 ECU，Green Hills 擁有最高的安全和安全認(rèn)證，包括 FAA 飛機(jī)使用認(rèn)證。

對(duì)于高端 ECU，QNX 擁有比 Linux 版本更高的安全性和安全認(rèn)證，并且很可能保持這一排名——即使某些 Linux 版本獲得了 ISO 26262 認(rèn)證。QNX 的微內(nèi)核架構(gòu)使操作系統(tǒng)更加安全。自動(dòng)駕駛汽車的新標(biāo)準(zhǔn)——ISO 21448、UL 4600 和 IEEE P2851——可以在操作系統(tǒng)中使用一些有用的功能，而 QNX 很可能會(huì)首先開發(fā)這些功能。

審核編輯 黃昊宇