汽車電子電氣架構的“前世、今生和未來”(四)

◆文/江蘇 高惠民

(接2023年第9期)

(3)基礎軟件層

基礎軟件層主要與硬件相關，主要包括操作系統(operating system)和中間件(middleware)等。通過對基礎軟件層進行標準化，汽車廠商可專注于開發有競爭力的上層應用軟件，而無須過多關注底層基礎軟件與硬件。根據功能的不同，基礎軟件層進一步可劃分為服務層、ECU抽象層、微控制器抽象層和復雜驅動層，如圖30所示。

圖30 AUTOSAR層面示意圖

①服務層由一系列基礎軟件組件構成，包括系統服務、存儲器服務、通信服務等，主要提供操作系統、網絡通信、內存管理、診斷、ECU狀態管理模塊等基礎服務，對應用層功能提供輔助支持。

②ECU抽象層將ECU結構進行了抽象，主要提供ECU應用相關的服務。該層軟件直接實現了ECU的應用層功能，可以讀取傳感器狀態、執行控制器輸出等。

③微控制器抽象層是實現不同硬件接口統一化的特殊層，是對ECU所使用的主控芯片的抽象，與芯片功能的實現緊密相關，是ECU軟件的最底層部分，直接和主控芯片及外設芯片進行交互。微控制器抽象層軟件模塊主要由各個驅動程序構成，如CAN驅動程序、LIN驅動程序、MCU(microcontroller unit，微控制單元)驅動程序等，通過微控制器抽象層可將硬件封裝起來，避免上層軟件直接對微控制器的寄存器進行操作。

④復雜驅動層主要面向處理復雜硬件信號、執行復雜硬件動作的ECU，如發動機控制、ABS等，這些功能相關的軟件很難抽象出來適用于所有類型ECU，它與ECU應用及其所使用的硬件緊密相關，是AUTOSAR中無法在不同ECU平臺上移植的部分。

AUTOSAR的分層式設計，用于支持完整的軟件和硬件模塊的獨立性，中間RTE作為虛擬功能總線VFB的實現，隔離了上層的應用層與下層的基礎軟件層，擺脫了以往ECU軟件開發與驗證時對硬件系統的依賴。硬件層僅與基礎軟件層直接相關，完全獨立于應用軟件層，既能促進位于RTE之下的基礎軟件層實現標準化，又方便汽車廠商無須特別關注基礎軟件層，只需專注于開發特定的上層應用軟件；提高了系統整合能力，特別是標準化交互接口以及軟件組件模型的定義提高了各層的軟件復用能力，從而減少了開發成本，提高了系統集成與產品推出的速度。

自動駕駛汽車需要實時處理大量數據。其電子電氣架構要求具備高性能計算的控制器控制器算力及通信帶寬需進行巨大升級。實現高吞吐量、高通信帶寬的高性能計算能力，除了需要硬件架構上，如異構多核處理器、GPU加速等的支持，也需要適配新的軟件架構來支持跨平臺的計算處理能力、高性能微控制器的計算以及遠程診斷等。此外V2X通信涉及動態通信及大量數據的有效分配，例如及時獲取交通路況需要第三方合作伙伴參與，因此需要新的軟件架構支持云交互以及非AUTOSAR系統的集成。自動駕駛車輛云端互連還需要專用安全手段的支持，以確保云交互和車載系統的通信安全。AUTOSAR一般是指傳統(Classic)平臺，然而，AUTOSAR Classic架構無法適應上述新的需求，因此在其基礎上又誕生了汽車自適應開放系統架構(AUTOSAR Adaptive)。AUTOSAR Adaptive體系架構主要包括應用層、運行層(AUTOSAR runtime for adaptive，ARA)、基礎服務層，如圖31所示。圖32列舉了一些AUTOSAR Classic與 AUTOSAR Adaptive的主要區別。

圖31 AUTOSAR Adaptive體系架構

圖32 AUTOSAR Classic與 AUTOSAR Adaptive的主要區別

與AUTOSAR Classic相比，AUTOSAR Adaptive面向高性能計算處理器架構，其硬件層的算力更高，具有更高的吞吐量AUTOSAR Classic是基于信號通信，發送者只負責將信號發送出去，接收者只需接收目標信號即可，這種方式適用于有限大小控制數據的應用場景。

AUTOSAR Adaptive基于服務通信，接收者作為客戶端查找、訂閱服務，發送者作為服務提供者按照需求為訂閱者提供服務和信息，這種方式大大提高了通信效率而降低了負載，適用于自動駕駛等需要大量數據動態交互的場景。

AUTOSAR Classic支持高安全性和高實時性的應用場景，適用于部署運行深度嵌入式的軟件功能。AUTOSAR Adaptive在保證安全等級、降低小部分實時性的情況下，能夠滿足非實時性的架構系統軟件的需求，并大大增強了高性能計算處理能力，支持大數據的并行處理、智能互聯應用功能的開發。因此，AUTOSAR Classic架構及AUTOSAR Adaptive架構針對不同的應用場景可實現二者的共存和協作。自動駕駛汽車將采用同時包含AUTOSAR Classic以及AUTOSAR Adaptive的異構軟件架構，如圖33所示，繼承軟件分層控制思想，實現軟硬件解耦，注重應用軟件標準化，并由車載操作系統為各類服務生態提供接口，掌控用戶交互界面。

圖33 包含AUTOSAR Classic以及AUTOSAR Adaptive異構軟件架構

2.車用操作系統

車用操作系統(automotive operating system，AOS)是管理車載計算機硬件與軟件資源的計算機程序，需要處理如管理與配置內存、決定系統資源供需的優先次序、控制輸入設備與輸出設備、操作網絡與管理系統文件等基本事務。操作系統的性能和生態系統對于開發“軟件定義汽車”所需的應用程序和軟件平臺是至關重要的，一個好的車用操作系統需要大型生態系統和可靠的架構支撐。車用操作系統要求如圖34所示。

圖34 車用車載系統要求

若車用操作系統功能欠佳，其代價不僅是工作效率低下，而且關乎生命安全，所以自動駕駛汽車的操作系統在監控支配汽車時的反應需要精確到微秒級，能夠實時感知周圍環境并規劃出新的解決方案。

根據國家汽車標準化技術委員會在2019年10月發布的《車用操作系統標準體系》劃分，車用操作系統按照應用功能細分為三類：安全車控操作系統，主要面向車輛動力系統、底盤系統、車身系統等傳統控制領域，要求極高的實時性、可靠性、計算能力和(功能和信息)安全性；智能駕駛操作系統，主要面向智能駕駛(域控制器)領域，要求較高的安全性和可靠性；車載操作系統，體現人機交互功能。主要面向信息娛樂和智能座艙(中控系統)，對安全性和可靠性要求低于車控操作系統和智能駕駛操作系統。汽車制造商開發自主操作系統方式主要分為三種，如圖35所示。

圖35 三種操作系統應用

定制型操作系統是基于基礎型操作系統，從系統內核到應用程序層進行深度重構，將硬件資源進行整合優化。ROM型操作系統是基于需求定制汽車服務及以上層級，下層則基于Android等系統自有架構。超級App是只在應用層調用系統已有接口相關功能，其余層級則完全沿用已有系統架構。定制型、ROM型、超級App，其內涵如圖36所示。

圖36 定制型、ROM型、超級App含義

(1)基礎型操作系統：目前基礎操作系統目前主要形成了以QNX為主，Linux次之的競爭格局，WinCE逐漸退出車載操作系統市場，未來在國際市場上，Android市場占有率將保持繼續上升趨勢。QNX、Linux、Android構成汽車操作系統三大陣營?；A操作系統特點對比分析如圖37 所示。

圖37 基礎型三大陣型特點

(2)定制型操作系統:在基礎型操作系統之上進行深度定制化開發而成，屬于自主研發的獨立操作系統。典型代表如大眾VW.OS、特斯拉Version、Google車載Android、華為鴻蒙OS、阿里AliOS等，如圖38所示。

圖38 定制型操作系統應用的典型代表

(3)ROM型操作系統：國外傳統車企的ROM型車載操作系統：底層操作系統一般基于QNX或Linux開發，如圖39所示。由于國內Android應用生態更好，國內自主品牌和造車新勢力大多基于Android定制汽車操作系統，例如比亞迪DiLink、吉利GKUI、小鵬Xmart OS等。

圖39 國外傳統車企基于QNX或Linux開發ROM型車載操作系統應用

(4)超級App：超級汽車App又稱車機互聯或手機映射系統，不是完全意義上的汽車操作系統；其借助手機的豐富功能映射到汽車中控，以滿足車主對娛樂的需求。應用品牌如圖40所示。由于容易實現并且成本較低，現階段仍是車主的主流選擇。

圖40 超級汽車App應用

汽車操作系統作為硬件與軟件的接口，分層架構如圖41所示。成為企業核心競爭點。底層操作系統主要有QNX、Linux及Andriod；目前主要采用基于底層系統研發獨立操作系統、基于ROM定制及在應用層開發超級App三種方案切入該領域。(未完待續)

圖41 汽車操作系統硬件與軟件的接口及其分層架構