還記得在純電車浪潮之前，那會兒現(xiàn)在叫的基礎(chǔ)軟件還叫底層軟件，而且比較簡單，也就包括芯片和外設的驅(qū)動、診斷和通信這些功能，那時大部分的控制器還沒有引入OS，一個簡單的while(1)解決。
在純電和智能座艙、自動駕駛浪潮后，域控制器、中央計算單元、SOC引入汽車行業(yè)，再加上AUTOSAR標準越來越被行業(yè)接受，基礎(chǔ)軟件的叫法也越來越多。
汽車基礎(chǔ)軟件是啥呢？從定義來看，是用于實現(xiàn)汽車系統(tǒng)軟硬件解耦，與用戶應用功能無關(guān)，但提供汽車系統(tǒng)服務的一系列支撐的軟件集合。通俗點講就是板級芯片驅(qū)動、車載操作系統(tǒng)、Hypervisor和中間件。
01.
操作系統(tǒng)
操作系統(tǒng)的概念大家多少有點了解，常用的就是ISO、Andriod系統(tǒng)，其主要提供任務管理、進程訪問、中斷處理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等功能，滿足用于實時性、安全性等需求?，F(xiàn)在車載中常用的操作系統(tǒng)就是QNX、Linux和Android。
QNX是一個微內(nèi)核、非開源、安全實時的操作系統(tǒng)。QNX系統(tǒng)是由加拿大QSSL公司開發(fā)，后在2004年被哈曼國際收購，2010年又轉(zhuǎn)手到黑莓。由于QNX是微內(nèi)核架構(gòu)，所以內(nèi)核就很小，只有幾十KB。驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議棧、應用程序都在微內(nèi)核之外的受保護的內(nèi)存中運行，這樣可以實現(xiàn)組件間的相互獨立，避免踩內(nèi)存導致的內(nèi)核崩潰。這也是其安全性高、穩(wěn)定性好、不易受病毒破壞的原因。另外QNX也是首款通過ISO26262 ASIL-D安全認證的實時操作系統(tǒng)。
但是由于其封閉性，導致應用生態(tài)比較弱，而且開發(fā)難度很大，還有就是授權(quán)費很高昂，舉個例子，當你在使用QNX系統(tǒng)做開發(fā)時，遇到一些疑問時，想問一下技術(shù)支持，這個都是按小時收費的，而且費用很貴。
因此其常用在儀表、自動駕駛等對安全性要求很高的控制器上，下圖是QNX系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。
Linux是一款開源、功能強大的操作系統(tǒng)。Linux具有內(nèi)核緊湊高效等特點，可以充分發(fā)揮硬件的性能。它相較于QNX的最大優(yōu)勢就是開源，具有很強的定制開發(fā)的靈活度，而且功能強大，但是其穩(wěn)定性和安全性就比QNX要差不少，因此常用在信息娛樂、智能座艙中，不過也有實力比較強的，將其應用在自動駕駛等安全領(lǐng)域，比如特斯拉。
Android是發(fā)行版本的Linux，系統(tǒng)復雜，功能強大。由Google和開發(fā)手機聯(lián)盟基于Linux開發(fā)的操作系統(tǒng)，其特點是開源、應用生態(tài)豐富、可移植性強，適合用在信息娛樂和智能座艙。
三個操作系統(tǒng)的整體對比如下圖所示。
從主機廠選擇信息娛樂系統(tǒng)的操作系統(tǒng)來看，國外主機廠偏向于基于Linux，而國內(nèi)主機廠偏向于用Android，比如比亞迪的Dilink，小鵬的Xsmart OS，蔚來的NIO OS等都是基于Android來打造的，這些僅僅是更改上層應用，而不會更改內(nèi)核相關(guān)的。
從上圖可以看出，在車載操作系統(tǒng)領(lǐng)域，基本全是國外的，國內(nèi)如何在該領(lǐng)域逐漸自研，掌握核心技術(shù)，首先這個肯定很難，畢竟QNX和Linux在操作系統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)積累的幾十年。從頭做基本是不可能。國內(nèi)現(xiàn)在做自研操作系統(tǒng)的，基本都是基于Linux，然后逐步實現(xiàn)的，畢竟這么好的開源資源，為啥不用，強如Google不都是基于Linux來做的嘛，蘋果的IOS也是基于UNIX來做的。
國內(nèi)目前也有幾家企業(yè)在從事操作系統(tǒng)的開發(fā)，比如國汽智控打造的ICVOS，支持自主可控的主流芯片以硬件平臺，支持L~L4及泊車等自動駕駛應用定制化開發(fā)。
華為的智能駕駛操作系統(tǒng)AOS，2020年，TV萊茵集團向華為AOS頒發(fā)了軟件安全產(chǎn)品ISO 26262:2018 ASIL-D等級認證證書，認證內(nèi)容包括AOS內(nèi)核、服務中間件等關(guān)鍵組件，滿足車載領(lǐng)域最高安全等級應用的開發(fā)需求。華為AOS內(nèi)核是華為完全自主研發(fā)的實時運行環(huán)境，具有創(chuàng)新型的架構(gòu)，可滿足車控領(lǐng)域高性能，高安全，高可靠的要求。服務中間件遵循AUTOSAR Adaptive Platform R19-11標準開發(fā)，是國內(nèi)首個符合AUTOSAR Adaptive標準的服務中間件軟件產(chǎn)品。另外在智能座艙領(lǐng)域，也推出了基于Linux深度定制的鴻蒙OS，在華為與塞力斯合作打造的問界M5上鴻蒙座艙獲得了一致的好評。
02.
中間件
中間件的任務就是負責各類應用軟件模塊之間的通信以及對系統(tǒng)資源的調(diào)度。其中中間件絕大部分的功能是通信，因此通常我們說的中間件也就是通信中間件。
隨著傳感器的數(shù)量增加，數(shù)據(jù)來源增多，多元異構(gòu)數(shù)據(jù)在芯片之間、各任務進程之間的高效、穩(wěn)定傳遞需要引入通信中間件。通信中間件包括點到點、消息隊列和發(fā)布/訂閱三種工作模式。
點到點模式具有很強的時間和空間耦合性，使得通信靈活性受到很大限制；消息隊列模式通過一個消息隊列來傳遞消息，解決了通信雙方時間和空間松耦合的問題，但不能實現(xiàn)消息消費者通信的異步，并且還存在服務器瓶頸和單點失效的問題，可靠性得不到保障；發(fā)布/訂閱模型中，發(fā)布者和訂閱者通過主題相關(guān)聯(lián)，雙方不必知道對方在何處，也不必同時在線，實現(xiàn)了通信雙方在時間、空間和數(shù)據(jù)通信上的多維松耦合，并且能夠減少網(wǎng)絡負載，提高通信效率，也提高開發(fā)人員的工作效率。
現(xiàn)在常用的通信中間件SOME/IP與DDS都采用了發(fā)布/訂閱模式，實現(xiàn)通信雙方在時間、空間和數(shù)據(jù)通信上的多維松耦合。
SOME/IP
SOME/IP的全稱為：Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP，是一種面向服務的傳輸協(xié)議。嚴格地說，SOME/IP不是一款特定的產(chǎn)品，而是一種技術(shù)標準。其最早由寶馬在2011年開發(fā)，并在2013年集成進AUTOSAR 4.1中。其對內(nèi)存需求較小，但僅提供一種用于選擇UDP與TCP的“可靠性”QoS設置，其同時支持Adaptive AUTOSAR與Classic AUTOSAR。
開源版的SOME/IP則是由Genivi協(xié)會來維護的，由 C++ 編寫，目前主要實現(xiàn)了 SOME/IP 的通信和服務發(fā)現(xiàn)功能，并在此基礎(chǔ)上增加了少許的安全機制。
目前SOME/IP中間件提供商有AUTOSAR工具鏈廠商，包括Vector、ETAS、EB等國外公司，國內(nèi)的也有包括普華基礎(chǔ)軟件，經(jīng)緯恒潤、東軟等。
DDS
DDS全稱為Data Distribution Service (數(shù)據(jù)分發(fā)服務)，由對象管理組(OMG)發(fā)布和維護，是一個中間件協(xié)議和API標準，采用發(fā)布/訂閱體系架構(gòu)，強調(diào)以數(shù)據(jù)為中心，提供豐富的QoS服務質(zhì)量策略，以保障數(shù)據(jù)進行實時、高效、靈活地分發(fā)，可滿足各種分布式實時通信應用需求。
其廣泛應用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，DDS對內(nèi)存需求大，體量較大，需要人為地進行項目級的裁剪，在服務策略方面，DDS支持22種QoS策略，每種策略都可以應用在不同的角色上，而針對同一角色，可單獨使用一種QoS，也可以組合使用多種QoS策略。
在2018年，DDS被首次引入Adaptive AUTOSAR，作為可選的通信中間件之一。018年3月，DDS的主要提供者RTI公司宣布，AUTOSAR AP的最新版本（版本18-03）已經(jīng)具有DDS標準的完整網(wǎng)絡綁定，但是目前還不支持Classical AUTOSAR。
此外ROS 2和Cyber RT的底層都使用了開源的DDS，將DDS作為最重要的通信機制。
全球范圍內(nèi)，DDS的最大供應商是RTI(Real-Time Innovations)，它同時也是OMG組織董事會的成員，從2004年開始負責主持DDS工作組的工作，包括DDS標準的制定，目前已經(jīng)成為這個行業(yè)的領(lǐng)導者，對DDS標準有足夠的權(quán)威。其DDS產(chǎn)品為為RTI Connext DDS，占據(jù)絕大部分市場。
除此之外，還有一些開源的DDS，其也是根據(jù)OMG官方的DDS標準開發(fā)的，但源代碼開放。
在自動駕駛領(lǐng)域比較有影響力的開源DDS是由RTI原核心團隊成員在歐洲創(chuàng)辦的eProsima公司推出的FastDDS。在eProsima將FastDDS的源代碼開放出來后，用戶可以直接在github上免費下載。但FastDDS使用起來比較麻煩，這個時候，用戶就需要通過向eProsima支付費用來取得支持。
OpenDDS 由位于圣路易斯和鳳凰城的的Object Computing的 ACE/TAO 團隊開發(fā)，它和FastDDS具有一定的相似性——兩者都是基于RTPS實現(xiàn)的，面向數(shù)據(jù)的通信框架，遵循的是同一標準。這類框架的典型特征是去中心化，支持QoS機制，支持實時通信。通常會綁定如protobuf等序列化工具。
在許多情況下，F(xiàn)astDDS 、OpenDDS可以跟RTI的Connnext DDS互操作/通信。當然，具體還得看場景。比如開源DDS支持的的QoS有 23個，大家都用這23個QOS交互，那就能互操作；如果Connext用的是超出這23個自定義范圍的QoS，那么開源DDS就解析不了。此外，如果用的是OMG沒開源的DDS工具，那也沒法互操作。
目前來看SOME/IP相較于DDS在汽車領(lǐng)域，有先發(fā)優(yōu)勢。DDS雖然功能完善，而且在其他領(lǐng)域具有廣泛的應用，但是在汽車行業(yè)，車規(guī)是最重要的。另外SOME/IP是直接針對汽車場景設計的，而DDS應用在汽車場景需要進行剪裁和適配，這里相較于SOME/IP，工作量又多了很多。最重要的一點是，由于現(xiàn)在大部分車載控制器的開發(fā)都是基于AUTOSAR來做的，目前SOME/IP同時支持AP和CP，而DDS目前還只能在AP上運行。
SOME/IP和DDS中間件除了上述提到的AUTOSAR工具廠商和RTI及開源可以提供外，國內(nèi)還有一些企業(yè)也提供相關(guān)的產(chǎn)品，比如百度Apollo提供的Cyber RT，它在Apollo 3.5中正式加入。Cyber RT和ROS2很像， 其底層也是使用了一個開源版本的DDS。
當前其可適配LiNUX、VxWorks、QNX、AUTOSAR CP、FreeRTOS等多種車載操作系統(tǒng)，并已成功部署在地平線'征程’系列、賽靈思ZU5、英偉達Xavier、芯馳G9X以及英飛凌TC397等多個平臺上，
03.
Hypervisor
Hypervisor又名虛擬機，虛擬機主要是支持不同操作系統(tǒng)，這里有兩種類型，第一種為虛擬機直接運行在物理硬件之上，第二種是虛擬機運行于另一個操作系統(tǒng)之中，比如你在window電腦上，裝個VMware虛擬機，然后再在該虛擬機上裝個Ubuntu，或者其他系統(tǒng)。
通過虛擬機技術(shù)，可以支持一芯多屏，比如中控屏幕與儀表、HUD采用一顆SOC，同時處理不同屏幕所需的任務，并推送到各個顯示區(qū)。
一汽集團、東軟和英特爾聯(lián)合發(fā)布智能座艙平臺 C4-Alfus，已在紅旗車型中投產(chǎn)，德賽西威基于高通 820A 車載芯片為理想 ONE 車型打造四屏互動的智能座艙方案。國內(nèi)主機廠都在試圖往“一芯多屏”的智能座艙方案上過渡。
一芯多屏可以降低智能座艙方案的成本，二是多屏交互的信息在芯片內(nèi)部完成，傳輸更順暢，通信時間比之前大大降低，之前多個操作系統(tǒng)之間通過 CAN、以太網(wǎng)等外部總線通信方式，最后一芯多屏系統(tǒng)復雜度降低，芯片等器件數(shù)量減少，整體可靠性也有所增加。
目前達到車規(guī)級、且實現(xiàn)量產(chǎn)的虛擬機產(chǎn)品包括QNX的Hypervisor、風河的Vxworks、Green Hills的INTERGITY Muitivisor，Mentor的Graphics Embedded Hypervisor等。主流的還是QNX的Hypervisor。
國內(nèi)目前阿里旗下的斑馬智行在自研虛擬機技術(shù)，名稱為AliOS Hypervisor。
04.
AUTOSAR
AUTOSAR是目前最常見和最常用的中間件方案，可提供控制器通信、診斷、OS等各種功能。AUTOSAR僅是一個標準，需要完全實現(xiàn)AUTOSAR，需要購買第三方公司做好的AUTOSAT工具鏈，頭部三大廠商分別是Vector、 EB、ETAS，Classical和Adaptive AUTOSAR工具都可以提供。例如EB的tresos、Vector的達芬奇、ETAS的ISOLAR為classical AUTOSAR的開發(fā)工具，EB的Corbos Studio、vector的Davinci Adaptive、etas的RTA-VRTE AP為Adaptive AUTOSAR開發(fā)工具。
目前國內(nèi)也有很多公司在從事AUTOSAR 中間件的開發(fā)，比較大的是東軟睿馳、普華基礎(chǔ)軟件。其余有經(jīng)緯恒潤、華為、斑馬智行、超星未來、映馳科技、未動科技、零念科技、上海赫千、國汽智控、成都道偉。
普華基礎(chǔ)軟件
普華基礎(chǔ)軟件是中國電子科技集團下的子公司，其成立于2011年，其汽車電子事業(yè)部自成立以來一直從事AUTOSAR基礎(chǔ)軟件的開發(fā)，AUTOSAR基礎(chǔ)軟件開發(fā)和技術(shù)服務團隊人員約70人。其自主研發(fā)推出的AUTOSAR工具鏈為ORIENTAIS AUTOSAR，能為用戶提供了操作系統(tǒng)、底層驅(qū)動、通信協(xié)議棧、診斷協(xié)議棧、網(wǎng)絡管理、測量標定、復雜驅(qū)動、Bootloader 、FOTA 、功能安全、信息安全等基礎(chǔ)軟件模塊及集成開發(fā)環(huán)境。早在大概在2011年的時候，普華的產(chǎn)品通過了德國奔馳技術(shù)中心的測試和認證， 2013年就與長安汽車合作，將國產(chǎn)AUTOSAR應用到量產(chǎn)車型CS75上，2015年我們拿到Automotive SPICE 3級認證，2020年5月，普華的AUTOSAR OS獲得萊茵頒發(fā)的 ISO 26262 ASIL D的產(chǎn)品認證證書。
2021年AUTOSAR中國日上，普華發(fā)布了其新一代面向Adaptive AUTOSAR產(chǎn)品。
東軟睿馳
除了普華基礎(chǔ)軟件之外，東軟睿馳的AUTOSAR產(chǎn)品NeuSAR，在國內(nèi)也是做的不錯的，AUTOSAR本文為21-11。有支持AUTOSAR Adaptive標準的NeuSAR aCore平臺，以及支持AUTOSAR Classic標準的NeuSAR cCore平臺。
與其他工具廠商一樣，NeuSAR ccore涵蓋了Classical AUTOSAR標準里規(guī)定的模塊，其中OS、RTE、E2E、WDGM等模塊還通過了功能安全ISO26262 ASILD的認證，可以適配主流的英飛凌Aurix系列，恩智浦的MPC56、57、S32的部分產(chǎn)品，瑞薩的RH850系列等，另外國產(chǎn)芯馳的芯片也支持。
用于Adaptive AUTOSAR開發(fā)的NeuSAR acore目前也比較完善了，支持系統(tǒng)功能組件、通信功能組件(支持SOME/IP和DDS)、安全功能組件、診斷和日志組件等。其適配的操作系統(tǒng)有主流用Linux和QNX。適配硬件平臺也很多，包括NXP的S32V和G，IMX6和8，TI的TDA4，Renesas的R-Car H3，Xilinx的Zynq UltraScale+，安霸的CV22，芯馳的G9X以及NVIDIA的Jetson-AGX等，覆蓋面已經(jīng)很廣了，除此之外，對于特定的平臺，還有額外的配置、代碼生成、編譯等工具支持，比如瑞薩、安霸、FPGA和英偉達。
今年4月，東軟推出針對域控制器的軟件開發(fā)平臺——NeuSAR DS（Domain System），其有機地將AUTOSAR CP和AUTOSAR AP、SOA中間件、底層文件系統(tǒng)的支持等融合到一起。針對域控制器的應用提供一個完整一體化的軟件包、工具鏈和開發(fā)環(huán)境。這樣主機廠和Tier-1供應商既可以將其快速應用于量產(chǎn)項目，也可以通過使用在主流芯片平臺上的NeuSAR DS原型開發(fā)系統(tǒng)，甚至直接采用NeuSAR DS的虛擬化版本，快速啟動面向SOA的應用軟件開發(fā)。極大地縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本。
05.
展望
在汽車行業(yè)電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的浪潮下，相較于燃油汽車時代，拼的是機械功底以及工藝功底，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車時代，拼的更多的是軟件，不管是操作系統(tǒng)，還是中間件、AUTOSAR等基礎(chǔ)軟件，都能看到國產(chǎn)廠商的身影，雖然當前國內(nèi)廠商的產(chǎn)品與國際主流產(chǎn)品還有一定差距，但是在隨著國產(chǎn)產(chǎn)品的不斷迭代，越來越強肯定是沒問題的。
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