汽車操作系統(tǒng)漫談，僅QNX過了最高等級車規(guī)安全認證

（文/程文智）隨著汽車電氣化和智能化程度的提升，汽車中的電子零部件越來越多，且硬件架構正逐步趨于標準化，產業(yè)對汽車軟件，特別是基礎操作系統(tǒng)的關注度明顯提升。汽車操作系統(tǒng)為車機軟硬件資源的調度者，在實現(xiàn)汽車功能的過程中扮演了重要角色。隨著汽車功能的日益復雜，操作系統(tǒng)的職責從實現(xiàn)基本的車輛控制，發(fā)展到實現(xiàn)智能座艙，以及支持智能駕駛，甚至自動駕駛。

汽車操作系統(tǒng)的分類

一般來說，汽車的底層操作系統(tǒng)分為安全相關的車控操作系統(tǒng)和與用戶體驗相關的車載操作系統(tǒng)兩大部分。其中，車控操作系統(tǒng)，主要實現(xiàn)車輛底盤控制、動力系統(tǒng)和自動駕駛等功能。從應用場景來看，車控操作系統(tǒng)主要包括：1）嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS，主要用于車輛控制，比如動力系統(tǒng)與底盤控制等環(huán)節(jié)。2）基于POSIX標準的操作系統(tǒng)，主要用于車輛控制，比如動力系統(tǒng)與底盤控制等環(huán)節(jié)。其特點是高實時性、高可靠性、功能安全、信息安全和高性能計算。

車載操作系統(tǒng)：車載操作系統(tǒng)與車控操作系統(tǒng)同屬于汽車操作系統(tǒng)，但并不管理車輛動力、底盤、車身等基礎硬件，而是一個管理和控制車載軟件、硬件資源的程序系統(tǒng)，支撐了汽車的上層軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)連接、HMI。車載操作系統(tǒng)具體可以實現(xiàn)的功能包括：1）管理車載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源、硬軟件，并且控制應用程序的運行。2）提供多形式的人機界面，支持上層軟件的運行。

汽車操作系統(tǒng)的主要玩家

目前普遍采用的車控操作系統(tǒng)底層內核主要有Linux、QNX和其他RTOS（如FreeRTOS、ThreadX、VxWorks等。

在玩家方面，主要有四個，QNX、Linux、Android和剛剛興起的鴻蒙OS。目前QNX和Linux占據(jù)了車載操作系統(tǒng)的主流。據(jù)IDC統(tǒng)計，2020年QNX的市場占有率為44%；其次為Linux，占了34%。

其中，QNX是黑莓旗下的一個子公司，它以安全穩(wěn)定和實時性著稱，適用于儀表和動力系統(tǒng)。它采用了非開源的微內核架構，是第一個符合ISO26262 ASIL-D規(guī)范的實時操作系統(tǒng)，可滿足數(shù)字化儀表盤功能性安全的要求，同時還兼顧了數(shù)據(jù)安全的要求。不過，由于其為閉源系統(tǒng)，在生態(tài)建設上有所欠缺，因此適合用于儀表和動力系統(tǒng)等對安全要求高，但生態(tài)要求弱的應用場景。目前采用QNX的車企有通用、雷克薩斯、路虎、大眾、豐田、寶馬、現(xiàn)代、福特、日產和奔馳等。

QNX誕生于1980年，由Gorden Bell和Dan Dodge成立的Quantum Software Systems公司研發(fā)，最初的名字是QUNIX，1982年腹部了第一個版本，并應用于Intel 8088 CPU。1984年，為了避免侵權問題，Quantum Software Systems公司將其重命名為QNX。2004年，哈曼國際以1.38億美元的價格收購了QNX，2010年4月，黑莓又從哈曼國際手中收購了QNX軟件系統(tǒng)，以獲取其車載無線連接技術。

其實，QNX問世之初主要是面向嵌入式系統(tǒng)市場的，廣泛應用于工業(yè)控制領域，后來才逐步向汽車制造業(yè)領域拓展的。在被哈曼國際收購之前，QNX系統(tǒng)已經廣泛應用在了汽車行業(yè)的遠程信息粗粒系統(tǒng)中。哈曼國際收購QNX后，將其設計到了200多種不同的汽車品牌和型號中，由于哈曼國際自身在信息娛樂領域有身后的積累，QNX也被應用在了信息娛樂和導航系統(tǒng)中。黑莓收購QNX后，又將QNX在汽車中的應用進一步擴大，除了車載ECU之外，還陸續(xù)推出了QNX CAR和QNX CAR2.0應用平臺。此外，黑莓還陸續(xù)發(fā)布QNX Aviage多媒體套件、QNX Aviage聲學處理套件、QNX HMI套件等中間件，進一步完善QNX車載操作系統(tǒng)生態(tài)。2017年1月黑莓推出了QNX 軟件開發(fā)平臺SDP 7.0，支持Intel和Arm 32位和64位平臺，并支持C++。2017年6月，黑莓推出QNX Hypervisor 2.0。QNX Hypervisor 2.0專門為自動駕駛設計，開發(fā)者能夠將安全關鍵型環(huán)境從非安全關鍵型環(huán)境中分離隔絕開來，確保關鍵系統(tǒng)不會暴露在風險之中。

從開發(fā)角度來看，QNX的POSIX（Portable Operating System Interface，可移植操作系統(tǒng)接口）兼容性和其提供的UNⅨ特色的編譯器、調試器、X Window和TCP/IP為開發(fā)者提供了豐富便利的編譯環(huán)境。CPU角度來看，QNX適配多種CPU，包括AMD ElanSC300/310/400/410、Am386 DE/SE、Cyrix MediaGX、x86處理器（386以上）、Pentium系列、Arm 32位和64位平臺等等。操作系統(tǒng)角度來看，QXN提供Hypervisor解決方案，支持復雜的底層硬件共享和抽象，可以將具有不同可靠性和安全性要求的各種嵌入式系統(tǒng)整合到單個SoC上，通過虛擬機的方式兼容Android和 Linux系統(tǒng)。

Linux是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)，核心在于網絡化的設計架構，支持多用戶、多任務、多線程的同時保障系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，但是開發(fā)難度較高，以及發(fā)環(huán)境不友好，影響了其生態(tài)建設的擴張，限制了它在車載導航和車載娛樂上的發(fā)展，因此適用于后臺操作系統(tǒng)，并且適用于車聯(lián)網以及自動駕駛技術對可靠性及網絡設計的雙重需求。Linux系統(tǒng)隨著車聯(lián)網和ADAS的發(fā)展逐步獲得了更多的生存空間。特點在于其性能穩(wěn)定且易于定制，開源的特性降低開發(fā)的門檻。合作企業(yè)包括豐田、日產、特斯拉等。

跟QNX一樣，Linux最初也并不是面向汽車市場的，過去它主要面向服務器操作系統(tǒng)市場，在桌面和工業(yè)嵌入式領域雖然有一定應用，但需要面對Windows和QNX的激烈競爭。不過，在2014年，Linux基金會聯(lián)合Intel、Toyota、三星、英偉達等多家企業(yè)推出了汽車端開源車聯(lián)網系統(tǒng)Automotive Grade Linux（AGL，汽車級Linux）。

AGL是一個協(xié)作開源項目，它將汽車制造商、供應商和技術公司聚集在一起，為汽車應用構建了一個基于Linux的開放軟件平臺，并允許汽車制造商和供應商重復使用相同的代碼庫，提升產品研發(fā)效率。據(jù)AGL官網介紹，AGL最初專注于信息娛樂系統(tǒng)，目前已經開源的系統(tǒng)項目包括信息娛樂、儀表盤、平視顯示器 (HUD)、遠程信息處理/聯(lián)網汽車、高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、功能安全和自動駕駛等，涵蓋車輛中所有軟件的組織。目前，AGL開發(fā)項目的參與者包括了豐田、鈴木、戴姆勒、福特、本田、捷豹路虎、馬自達、三菱汽車、日產、斯巴魯?shù)缺姸嗳?a target="_blank">知名車企。

Android具有開源開放、良好的開發(fā)環(huán)境，并且在手機短積累了大量的應用生態(tài)，在車載娛樂領域具有得天獨厚的優(yōu)勢。Android手機上的應用能夠很快地移植到車機上，能快速豐富車載應用，但它在安全性、實時性和穩(wěn)定性上還有待提升。

Android系統(tǒng)最早是基于Linux內核打造的。2003年時，Andy Rubin、Rich Miner、Nick Sears和Chris White四人創(chuàng)立Android Inc.，起初公司意圖開發(fā)的是數(shù)碼相機的操作系統(tǒng)，后來由于市場空間不足，進而轉向手機操作系統(tǒng)領域。2005年，谷歌以5000萬美元的架構收購了Android Inc.，Rubin開始領導團隊開發(fā)基于Linux內核的移動設備操作系統(tǒng)。2007年，谷歌聯(lián)合HTC、摩托羅拉等科技公司，宣布成立開放手持設備聯(lián)盟（Open Handset Alliance），旨在打造全面開放的移動設備平臺，Google以Apache免費開源許可證的授權方式，發(fā)布了Android的源代碼。2008年，谷歌發(fā)布了Android1.0，并首次搭載于HTC Dream手機上，標志著Android系統(tǒng)正式問世，從此之后，一路狂奔，成為手機操作系統(tǒng)的王者。

Android系統(tǒng)在汽車領域的嘗試，從2011年就開始了，不過開始并不是谷歌做的，而是Parrot基于Android系統(tǒng)做的汽車音響系統(tǒng)-----Asteroid，2012年又更新了一版。到了2014年，谷歌親自下場，聯(lián)合奧迪、通用、現(xiàn)代和本田等幾家全球主要汽車制造商，以及英偉達，在CES上宣布成立開發(fā)汽車聯(lián)盟，旨在生產基于Android的車載娛樂系統(tǒng)。同年6月，谷歌發(fā)布了Android Auto車載操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要功能包括了個人智慧助理Google Now、衛(wèi)星定位和導航的Google地圖、音樂控制，以及語音操作等。2019年，谷歌在Android Auto的基礎上，又推出Android Automotive OS，定位于專業(yè)的車載信息娛樂系統(tǒng)。不同于Android Auto（更類似于一款APP），Android Automotive OS可以直接嵌入車輛，讓汽車變成一臺類似Android手機的IT設備，而無需使用手機進行連接。

鴻蒙OS則是由華為推出的車載操作系統(tǒng)，主要包括于在2020中國汽車論壇上發(fā)布的鴻蒙座艙操作系統(tǒng)HOS、智能駕駛操作系統(tǒng)AOS和智能車控操作系統(tǒng)VOS，分別為智能座艙、智能駕駛及智能車控系統(tǒng)。鴻蒙OS主打面向全場景，支持多內核，包括Linux內核、LiteOS和鴻蒙微內核，可按各種智能設備選擇所需內核，例如在低功耗設備上使用LiteOS內核。鴻蒙OS能支持128K到8G內存范圍內的硬件設備，跨度較大，對硬件的性能要求相對較低。該系統(tǒng)滿足幾乎所有設備的需求，從耳機、手機、平板、智慧屏到車機，實現(xiàn)不同設備中的交互。

汽車操作系統(tǒng)的市場格局

智能座艙和智能駕駛是目前汽車領域最熱門的兩個領域，汽車操作系統(tǒng)目前也主要應用在這兩個領域。目前座艙領域QNX是主流的操作系統(tǒng)，比如現(xiàn)在智能座艙中最為火熱的芯片高通的8155就是跟QNX綁定的，基本使用8155芯片的汽車采用的都是QNX系統(tǒng)。從這兩年的趨勢來看，越來越多的車企選擇高通芯片作為其智能座艙解決方案，這就意味著QNX系統(tǒng)在智能座艙領域的市占率會進一步提高。

在智能座艙領域很少又廠商會使用Linux系統(tǒng)，鴻蒙系統(tǒng)會有用一些，因為華為在深度參與車廠的造車，他們會把鴻蒙系統(tǒng)融入其中。

從現(xiàn)在的情況來看，高通8155的下一代芯片需要到2024年才會出貨，這就意味著，目前大多數(shù)的廠商已經開始著手下一代產品的開發(fā)，但要出貨還要至少等上兩三年，因此，QNX在未來5、6年內的地位還是非常穩(wěn)固的。

比亞迪和特斯拉是少數(shù)沒有采用QNX系統(tǒng)的廠商之一，他們采用的是自研的Linux體系。

在智能駕駛方面，隨著自動駕駛等級的越來越高，Linux具有天然的優(yōu)勢，因為汽車的自動駕駛研究大部分都是從實驗室開始的，而實驗室的研究人員研發(fā)時采用的系統(tǒng)幾乎都是Linux系統(tǒng)，因此，從實驗室到落地，為了減少移植系統(tǒng)帶來的成本，很多廠商就會直接選擇Linux來作為自動駕駛的操作系統(tǒng)。

就目前來看，自動駕駛方面，Linux系統(tǒng)的優(yōu)勢會更大，但也有一些廠商在采用QNX切入自動駕駛。這是因為Linux系統(tǒng)有一個天生的缺點，那就是它沒有辦法做功能安全等級ISO26262規(guī)范的ASIL認證。ASIL(Automotive Safety Integrity Level)是指汽車安全完整性等級。它是由ISO 26262標準定義的風險分類系統(tǒng)，用于公路車輛的功能安全。該標準將功能安全定義為“由于電氣或電子系統(tǒng)的故障行為而導致的危害，不存在不合理的風險”。ASIL根據(jù)損害的可能性和可接受性確定安全要求，以使汽車零部件符合ISO 26262。ISO 26262-A，B，C和D標識了四種ASIL。ASILA代表最低級別，而ASIL D代表最高的汽車危害等級。

一般來說，需要兩年才能走完產品的認證過程，這個周期對于整個研發(fā)來說是相當長的。但是QNX已經過了安全認證了，所以很多國外廠商會偏向采用QNX來作為操作系統(tǒng)，比如最近大眾就官宣采用QNX作為其ADAS的自動駕駛輔助功能的操作系統(tǒng)。

而鴻蒙OS目前僅涉足了智能駕艙領域，自動駕駛方面僅是比較初級的功能，未來如何發(fā)展，就需要看華為想要做到什么程度了，至少目前問界M7還沒有看到鴻蒙OS在自動駕駛方面向前推進。

總的來說，國內的車企比較偏向于功能方面的豐富程度，海外的車企更偏向于功能安全，相對來說更加保守一點。

結語

從長遠來看，汽車的電氣化改革才剛剛開始，未來汽車上的硬件性能會越來越高，算力也會足夠強，到時候汽車軟件生態(tài)也會更加豐富，作為最底層的操作系統(tǒng)的價值也更加重要。未來，汽車上座艙操作系統(tǒng)和自動駕駛操作系統(tǒng)可能會變成同一個操作系統(tǒng)。當然，也有可能仍然會有兩個獨立的系統(tǒng)存在，但另一個僅作為備份存在。