車載操作系統(tǒng)你都知道嗎？三分鐘解車載操作系統(tǒng)前世今生

隨著阿里巴巴Alios和百度Apollo計(jì)劃的輪番登臺，“操作系統(tǒng)OperatingSystem” 似乎在一夜間成為了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的標(biāo)配。事實(shí)真是如此嗎？本文將簡單的介紹下汽車操作系統(tǒng)的前世今生。

車載系統(tǒng)和電控系統(tǒng)

要談汽車操作系統(tǒng)，首先得了解汽車電子。

傳統(tǒng)汽車電子產(chǎn)品可歸納為兩類：一類是車載電子設(shè)備，如儀表，娛樂音響、導(dǎo)航系統(tǒng)、抬頭顯示、車載通信、無線上網(wǎng)等等，這類系統(tǒng)不直接參與汽車行駛的控制決策，不會對車輛行駛性能和安全產(chǎn)生影響，通常統(tǒng)稱為車載娛樂信息系統(tǒng)（In-Vehicle Infotainment,IVI）。

另一類是汽車電子控制裝置，它們是車輛運(yùn)動和安全防護(hù)的控制“大腦”，通過直接向執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電子閥門，繼電器開關(guān)，執(zhí)行馬達(dá)等）發(fā)送指令以控制車輛關(guān)鍵部件（如發(fā)動機(jī)，變速箱，動力電池等）的協(xié)同工作，這類系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為電子控制單元（ElectronicControl Unit, ECU）。

常見的ECU包括EMS發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)，ABS制動防抱死控制、變速箱牽引力控制TCU、電子穩(wěn)定控制EPS、電子動力轉(zhuǎn)向EPS，新能源汽車整車控制VCU，電池管理系統(tǒng)BMS等。

為什么需要操作系統(tǒng)？

汽車操作系統(tǒng)是汽車電子軟件的重要組成部分，但不是所有的汽車電子產(chǎn)品都需要操作系統(tǒng)。

從20世紀(jì)90年代開始，隨著車載和電控系統(tǒng)功能的日益豐富以及汽車電子產(chǎn)品外部交互/接口標(biāo)準(zhǔn)的種類增加，這類基于微控制芯片的嵌入式電子產(chǎn)品逐漸需要采用類似個人電腦的軟件架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)分層化，平臺化和模塊化，提高開發(fā)效率的同時降低開發(fā)成本。因此，汽車電子產(chǎn)品才逐步開始采用了嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperating System）。

以車載娛樂信息系統(tǒng)為例，最早的數(shù)字收音機(jī)/CD播放器采用專用的音頻解碼芯片就能實(shí)現(xiàn)，后來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化將可觸摸液晶屏代替播放器開關(guān)、調(diào)節(jié)按鈕，后來又增加了藍(lán)牙電話功能，接著又集成了地圖導(dǎo)航、倒車?yán)走_(dá)影像，相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)這些功能的IVI嵌入式系統(tǒng)主CPU數(shù)據(jù)處理能力也逐步增強(qiáng)，從最早4位、8位發(fā)展到16位、32位到后來多核，引入嵌入式操作系統(tǒng)，就是有效分配CPU資源，對以上各種任務(wù)功能進(jìn)行協(xié)同管理，并控制各項(xiàng)任務(wù)優(yōu)先級別。

相比車載電子產(chǎn)品，電控系統(tǒng)通常需要閉環(huán)控制，這樣就意味著需要響應(yīng)更多的輸入輸出信號，任務(wù)調(diào)度更加復(fù)雜；另外，由于電控系統(tǒng)直接參與車輛行駛的管理，系統(tǒng)可靠性要求要更高，因此應(yīng)用于電控單元ECU的嵌入式操作系統(tǒng)比車載電子產(chǎn)品的操作系統(tǒng)有更嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)。

車載操作系統(tǒng)?IVI-OS

早在2011年，咨詢機(jī)構(gòu)StrategyAnalytics對中國當(dāng)時主流汽車主機(jī)廠和車載信息娛樂系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)行了調(diào)研，報(bào)道了當(dāng)時車載操作系統(tǒng)的生態(tài)圈，如圖所示。隨著中國汽車市場的持續(xù)增長帶來的變化，該報(bào)告在2015年進(jìn)行了部分更新，目前市場上用于車載系統(tǒng)的OS包括：

1. Android：開源操作系統(tǒng)，無授權(quán)費(fèi)用對很多中低端車載電子產(chǎn)品開發(fā)商是有很大的吸引，但是版本升級過于頻繁，開機(jī)啟動時間長，系統(tǒng)穩(wěn)定性不強(qiáng)而飽受詬病。

2. ?Microsoft：從定位工業(yè)應(yīng)用WinCE到移動通信的Windows Embedded操作系統(tǒng)，由于相對穩(wěn)定的性能和平（Dao）價(jià)（Ban）授權(quán)費(fèi)用,深受眾多從消費(fèi)電子轉(zhuǎn)型到后裝導(dǎo)航市場的公司推崇，但市場份額持續(xù)下降。

3. QNX：曾經(jīng)占據(jù)接近60%的市場份額，優(yōu)惠的單機(jī)授權(quán)費(fèi)用和良好的開發(fā)支持是主流國際汽車電子供應(yīng)商愿意合作的原因，但隨著其母公司Blackberry的凋落和其他免費(fèi)競爭對手挑戰(zhàn)，風(fēng)光已不敵當(dāng)年。

4. Wind River?:?功能強(qiáng)大覆蓋多行業(yè)的硬實(shí)時操作系統(tǒng)，但授權(quán)和開發(fā)定制成本非常高，市場份額有限。

5. MicroItron?:?日資車型的主流汽車操作系統(tǒng)，但日系供應(yīng)商也逐漸采用其他OS以滿足不同市場的需要。

6. Linux?:?基于開源代碼，穩(wěn)定和易于裁剪，很多研發(fā)能力強(qiáng)的汽車主機(jī)廠和供應(yīng)商在Linux基礎(chǔ)上定制了自有的操作系統(tǒng)。

7. GENIVI?:?準(zhǔn)確來說是一個標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟。以寶馬為首的知名企業(yè)建立的應(yīng)用于車載系統(tǒng)的開放式軟件平臺和操作系統(tǒng)，基于Linux平臺，形成從研發(fā)到應(yīng)用的閉環(huán)生態(tài)。

電控實(shí)時操作系統(tǒng)?ECU-OS

前面提到過，汽車電控系統(tǒng)屬于復(fù)雜測控系統(tǒng)，如果系統(tǒng)任務(wù)的響應(yīng)不及時或有延遲過大，就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的損失。例如，汽車安全氣囊控制，在車輛發(fā)生碰撞的很短時間內(nèi)（毫秒級）如不能快速打開，就無法對乘車人員起到保護(hù)作用。

可見，汽車電控ECU必須是高穩(wěn)定性的嵌入式實(shí)時性操作系統(tǒng)，實(shí)時性的含義是系統(tǒng)保證在一定時間限制內(nèi)完成特定功能。目前主流的電控操作系統(tǒng)基本都兼容OSEK/VDX和AUTOSAR這兩類汽車電子軟件標(biāo)準(zhǔn)。

1. OSEK/VDX?:?這個標(biāo)準(zhǔn)旨在制定汽車電子標(biāo)準(zhǔn)化接口，主要定義了三個組件：實(shí)時操作系統(tǒng)（OSEK-OS），通訊系統(tǒng)（OSEK-COM）和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（OSEK-NM）。OSEK操作系統(tǒng)始于20世紀(jì)90年代，第一個商業(yè)化的OSEK操作系統(tǒng)由德國3Soft公司開發(fā)，最早應(yīng)用于奧迪A8的儀表控制器。

2. AUTOSAR?:?AUTOSAR的全稱是Automotive Open System Architecture，直譯為汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)。發(fā)起于2003年，由全球汽車制造商，汽車電子部件供應(yīng)商，汽車軟件和工具服務(wù)商和半導(dǎo)體制造商聯(lián)合成立的一個標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟組織，致力于為汽車工業(yè)開發(fā)一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件架構(gòu)。AUTOSAR兼容OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)，增加了新的系統(tǒng)模塊同時隱含的提出了“軟件定義電控系統(tǒng)”的概念，如圖，完整的AUTOSAR系統(tǒng)架構(gòu)從下向上分為硬件層HW，硬件抽象層MCAL，基礎(chǔ)軟件層BSW，運(yùn)行時環(huán)境RTE和應(yīng)用軟件SWC，其中操作系統(tǒng)被包含在BSW層中。

不管是OSEK還是AUTOSAR操作系統(tǒng)，它們僅僅作為標(biāo)準(zhǔn)定義了操作系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范，各家軟件和工具服務(wù)商開發(fā)了各自的符合標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)產(chǎn)品，然后提供給Tier1供應(yīng)商廣泛應(yīng)用于各類電控系統(tǒng)。

目前AUTOSAR已逐步成為了主流，市場上知名的擁有完整解決方案的企業(yè)包括Vector，KPIT，ETAS，DS以及被收購的EB（Continental）和MentorGraphics(Siemens)。在國內(nèi)，依托國家“核高基”課題，i-Soft公司也開發(fā)了符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件，并成功應(yīng)用于自主品牌和新能源量產(chǎn)車型。

智能網(wǎng)聯(lián)對操作系統(tǒng)的新要求

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的特點(diǎn)是增加更多的智能傳感器（高清攝像頭，激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)等），并且需要對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，處理和共享。

要實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)，兩個基本問題需要解決：一是控制器芯片處理能力，二是信息安全。為此，以博世，大陸，德爾福為首的Tier1提出了域控制器（DCU，Domain Control Unit）的概念，根據(jù)汽車電子部件功能將整車劃分為動力總成，車輛安全，車身電子，智能座艙和智能駕駛等幾個域，利用處理能力更強(qiáng)的多核CPU/GPU芯片相對集中的去控制每個域，以取代目前的分布式汽車電子電氣架構(gòu)（EEA）。

雖然這樣的設(shè)計(jì)簡化了汽車電子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但由于各種數(shù)據(jù)的相互融合也帶來了安全隱患。例如，智能座艙系統(tǒng)ECU將原有的車載信息娛樂系統(tǒng)與V2X,HMI，儀表等數(shù)據(jù)融合在一起處理，但根據(jù)功能安全I(xiàn)SO26262標(biāo)準(zhǔn)定義,儀表的某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)和代碼與HMI的代碼屬于不同等級要求（ASIL），從安全角度應(yīng)該進(jìn)行物理上的隔絕。因而這樣的設(shè)計(jì)又與汽車電子功能安全標(biāo)準(zhǔn)背道而馳。

如何解決呢？隨著汽車電子安全件如IVI系統(tǒng)和其他非安全件的融合在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上是必然趨勢，汽車電子專家引入了航電設(shè)備中虛擬機(jī)管理的概念，基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)之上提出了AUTOSAR Hypervior虛擬機(jī)，新的AUTOSAR Adaptive Platform版本也拓展到了智能網(wǎng)聯(lián)和自動駕駛汽車的應(yīng)用。

引入虛擬機(jī)管理的關(guān)鍵意義在于虛擬機(jī)可以提供一個同時運(yùn)行兩個獨(dú)立操作系統(tǒng)的環(huán)境，比如在智能座艙ECU中同時運(yùn)行Android（車載功能）和QNX（電控功能），為智能網(wǎng)聯(lián)的應(yīng)用提供高性價(jià)比且符合安全要求的平臺。

目前面向汽車的虛擬機(jī)管理程序已商用的產(chǎn)品包括Blackberry QNX Hypervisor，Wind River VxWorks，Green Hills INTEGRITY Muitivisor，Mentor Graphics Embedded Hypervisor以及去年被松下汽車電子收購的OpenSynergy。

阿里巴巴的Alios能驅(qū)動汽車智能嗎？

Alios由YunOS更名而來，YunOS是不是Android的爭論其實(shí)已經(jīng)不重要，不管怎樣，至少是典型的中國式創(chuàng)新。智能手機(jī)市場，阿里為擴(kuò)大YunOS在手機(jī)設(shè)備上的市場占有率，阿里巴巴采取的策略是與三線自主品牌手機(jī)進(jìn)行合作，對預(yù)裝YunOS的手機(jī)進(jìn)行高額補(bǔ)貼；后轉(zhuǎn)向汽車市場，阿里從與上汽自主品牌的合作中嘗到了甜頭，開始發(fā)力把Alios打造成車聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。

但是，Alios對于汽車來說，暫且僅能稱之為車載操作系統(tǒng)，它能驅(qū)動汽車智能嘛？個人認(rèn)為：

第一，Alios目前的競爭對手仍是谷歌Android，蘋果IOS及百度DuerOS此類的車載操作系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于Alios添加了云服務(wù)相關(guān)的模塊以接入阿里巴巴的生態(tài)環(huán)境，重點(diǎn)包括電子商務(wù)（淘寶），網(wǎng)絡(luò)支付（支付寶）和高清地圖（高德），以此打造除手機(jī)之外的第二移動支付終端。

第二，隨著智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)的升級