??引言
本文節選自汽標委智能網聯汽車分標委今年7月編撰的《汽車控制總體技術要求研究報告》，本報告由國汽（北京）智能網聯汽車研究院有限公司、華為技術有限公司牽頭，共30余家單位參與撰寫。
2.2 車控操作系統研究現狀
2.2.1 安全車控操作系統 ?
安全車控操作系統國外發展較早，目前已經開展了一系列的標準化工作，國內目前主要處于跟隨狀態。歐洲在20 世紀90 年代發展出用于汽車電子上分布式實時控制系統的開放式系統標準OSEK/VDX，主要包括4 部分標準：1）操作系統規范（OS）；2）通信規范；3）網絡管理規范；4）OSEK 實現語言。但隨著技術、產品、客戶需求等的升級，OSEK 標準逐漸不能支持新的硬件平臺。
2003 年，寶馬、博世、大陸、戴姆勒、通用、福特、標志雪鐵龍、豐田、大眾9 家企業作為核心成員，成立了一個汽車開放系統架構組織（簡稱AUTOSAR 組織），致力于建立一個標準化平臺，獨立于硬件的分層軟件架構，制定各種車輛應用接口規范和集成標準，為應用開發提供方法論層面的指導，以減少汽車軟件設計的復雜度，提高汽車軟件的靈活性和開發效率，以及在不同汽車平臺的復用性。AUTOSAR 以OSEK/VDX 為基礎，但涉及的范圍更廣。
截至目前，AUTOSAR 組織已發布Classic 和Adaptive 兩個平臺規范，分別對應安全控制類和自動駕駛的高性能類。Classic 平臺基于OSEK/VDX 標準，定義了安全車控操作系統的技術規范。Classic AUTOSAR 的軟件架構如圖5 所示，其主要特點是面向功能的架構（FOA），采用分層設計，實現應用層、基礎軟件層和硬件層的解耦。
AUTOSAR 標準平臺由于采用開放式架構和縱向分層、橫向模塊化架構，不僅提高了開發效率，降低開發成本，同時保障了車輛的安全性與一致性。AUTOSAR 組織發展至今，得到了越來越多的行業認可，目前已有超過180 家的車、零部件、軟件、電子等領域的成員。AUTOSAR 目前已經成為國際主流的標準軟件架構，基于 AUTOSAR 標準平臺，擁有完整的汽車軟件解決方案的企業主要有Vector、KPIT、ETAS 、DS 以及被大陸收購的Elektrobit 和被西門子收購的MentorGraphics。此外，寶馬、沃爾沃等汽車廠商都相繼推出了基于AUTOSAR 標準平臺的車型。
在日本，日本汽車軟件平臺架構組織（Japan Automotive Software Platform Architecture，JasPar）成立于2004 年，旨在聯合企業橫向定制兼顧汽車軟硬件的通信標準、實現車控操作系統的通用化，提高基礎軟件的再利用率等。JasPar 組織成員包括絕大多數的日系汽車及配套軟硬件產品廠商。
我國主機廠及零配件供應商目前主要使用Classic AUTOSAR 標準進行軟件開發。一汽集團、長安集團等主機廠于2009 年開始利用Classic AUTOSAR 標準的工具進行ECU 的設計、開發、驗證。同時，上汽集團、一汽集團、長安集團、奇瑞集團等主機廠和部分高校成立了CASA 聯盟，旨在中國推廣和發展AUTOSAR 架構。目前江淮汽車也是主要基于Classic AUTOSAR 標準進行軟件和產品開發。
在產品方面，普華軟件是中國電子科技集團的國產操作系統戰略平臺，并作為牽頭單位承擔了關于汽車電子操作系統的十一五、十二五核高級重大專項，所形成的車控操作系統在車身控制模塊（BCM）、新能源整車控制器（VCU/HCU）、電子轉向系統（EPS）等關鍵零部件得到量產應用，并已被德國博世的先進輔助駕駛系統（ADAS）量產使用。
東軟睿馳發布了NeuSAR 產品，其基于AUTOSAR 研發制作，為自主研發自動駕駛系統的OEM 整車企業及零部件供應商提供的面向下一代汽車通訊和計算架構的系統平臺，包含AUTOSAR Classic、AUTOSAR Adaptive 及系列開發系統工具。
2.2.2 智能駕駛操作系統?
智能駕駛操作系統將會成為自動駕駛汽車發展的核心競爭力之一，由于安全車控操作系統相對成熟，且智能駕駛操作系統部分包含安全車控操作系統，所以本文提到的車控操作系統主要是指智能駕駛操作系統。智能駕駛操作系統發展趨勢和特點是縱向分層，以實現層與層之間的解耦，方便快速開發和移植，如圖6 所示。
AUTOSAR 組織為應對自動駕駛技術的發展推出了Adaptive AUTOSAR（AP）架構，如圖7 所示，其主要特點是采用面向服務的架構（SOA），服務可根據應用需求動態加載，可通過配置文件動態加載配置，并可進行單獨更新，相對于Classic AUTOSAR（CP），可以滿足更強大的算力需求，更安全，兼容性好，可進行敏捷開發。
Adaptive AUTOSAR 系統主要適應于新的集中式的高性能計算平臺，滿足車內部件之間的高速通信需求和智能駕駛的高計算能力需求。AP 平臺采用了服務化的架構，系統由一系列的服務組成，應用和其他軟件模塊可以根據需求調用其中的一個或者多個服務，而服務可以是平臺提供的，也可以是遠程其他部件提供，OEM 可以按照功能設計需求定義自己的服務組合。AP 設計也在CP 成功的設計方法論的指導下進行開發，兼顧靈活和功能安全的確定性需求，同時可以進行整車功能的統一設計，兼顧安全車控和智能駕駛系統。AP 平臺沒有設計新的操作系統內核，所有符合POSIX PSE51 接口的操作系統內核都可以使用，AP 平臺重點是在操作系統內核之上的系統服務中間層，主要分為平臺基礎功能和平臺服務功能兩部分。平臺基礎功能更多的是本地服務，采用庫的方式進行調用，如生命周期管理、通信管理、存儲管理、診斷功能等；平臺服務不限制服務的提供實例的位置，采用互聯網常用的服務類似的調用方式，如升級管理、網絡管理、狀態管理、傳感器服務接口等。AP 平臺主要的三個支撐和演進方向是：安全（包含信息安全和功能安全），連接（包括車內和車外各種新的通信機制），可升級（包含OTA，靈活的軟件設計和管理等）。AP 平臺仍采用傳統的標準設計方式，每年一個版本集中進行新的功能發布。
雖然AUTOSAR AP 在繼承ATUOSAR CP 成功經驗的基礎上，采用了很多互聯網的思路來設計，但是由于汽車軟件需求變化較快，仍存在很多問題，如傳統的AUTOSAR 方法論配置繁瑣，支持的通信速率低，不支持解耦部署策略和動態升級方案，特別是車車協同、車路協同、車云協同等還一直處于需求討論階段，沒有支持的時間表。
AUTOSAR AP 平臺是適應新一代電子電氣架構下的集中式計算需求而產生的，但只是整車功能中的一小部分，缺乏從整車電子電氣系統視角考慮信息安全、功能安全、通信等需求。在底層操作系統之上， 軟件中間件在智能駕駛領域也備受關注。中間件的主要目標是為上層應用提供數據通信、協議對齊、計算調度、模塊化封裝等常用功能，為應用開發提供標準化、模塊化的開發框架，實現模塊解耦和代碼復用。ROS 作為最早開源的機器人軟件中間件，很早就被機器人行業使用，很多知名的機器人開源庫，比如基于quaternion 的坐標轉換、3D 點云處理驅動、定位算法SLAM 等都是開源貢獻者基于ROS 開發的。ROS 的首要設計目標是在機器人研發領域提高代碼復用率。ROS 是一個分布式的進程（也就是“節點”）框架，這些進程被封裝在易于被分享和發布的程序包和功能包中。整個智能駕駛系統和機器人系統有很強的相似度，ROS 的開源特性，豐富的開源庫和工具鏈，特別在智能駕駛的研究領域有著較為廣泛的應用，很多自動駕駛的原型系統中都能夠看到 ROS 的身影，例如AUTOWARE，百度 Apollo 最初也是使用了 ROS，直至Apollo 3.5版本才切換至自研的車載中間件Cyber RT。
ROS 在發展過程中主要有兩個版本，ROS1 和ROS2，ROS1 的通信依賴中心節點的處理，無法解決單點失敗等可靠性問題。為了更好的符合工業級的運行標準，ROS2 最大的改變是，取消Master 中央節點，實現節點的分布式發現，發布/訂閱，請求/響應；底層基于DDS（數據分發服務）這個工業級的通信中間件通信機制，支持多操作系統，包括Linux、windows、Mac、RTOS 等。雖然ROS2 基于ROS1 有了很大的改進，但是距離完全車規應用還有很大的距離，有些公司如APEX.AI 也在對ROS 進行車規級的改造嘗試。
目前普遍采用的車控操作系統底層內核主要有Linux、QNX 和其他RTOS（如FreeRTOS、ThreadX、VxWorks 等），三者之間的主要特點對比如表2 所示。
Linux 最初是作為通用操作系統而設計開發的，但提供了一些實時處理支持，這包括大部分POSIX 標準中的實時功能，支持多任務、多線程，具有豐富的通信機制等。除此之外，Linux 社區有實時性增強patch，在Linux 內核原有RT 功能上，增加了中斷線程化、優先級默認繼承等功能。Linux 也提供了符合POSIX 標準的調度策略，包括FIFO 調度策略、時間片輪轉調度策略和靜態優先級搶占式調度策略。另外，Linux 還提供了內存鎖定功能，以避免在實時處理中存儲頁面被換出，同時提供了符合POSIX 標準的實時信號機制。
QNX 是一種商用的遵從POSIX 規范的類Unix 實時操作系統，其主要特點是符合分布式、嵌入式、可規模擴展的硬實時操作系統。QNX 遵循POSIX.1 (程序接口）和POSIX.2 (Shell 和工具）、部分遵循POSIX.1b（實時擴展）。QNX 的微內核結構是它區別于其它操作系統的顯著特點。QNX 的微內核結構，內核獨立自處于一個被保護的地址空間；驅動程序、網絡協議和應用程序處于程序空間中。
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