汽車操作系統(tǒng)漫談，僅QNX過了最高等級(jí)車規(guī)安全認(rèn)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(gòu)正逐步趨于標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)業(yè)對(duì)汽車軟件，特別是基礎(chǔ)操作系統(tǒng)的關(guān)注度明顯提升。汽車操作系統(tǒng)為車機(jī)軟硬件資源的調(diào)度者，在實(shí)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(fù)雜，操作系統(tǒng)的職責(zé)從實(shí)現(xiàn)基本的車輛控制，發(fā)展到實(shí)現(xiàn)智能座艙，以及支持智能駕駛，甚至自動(dòng)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(guān)的車控操作系統(tǒng)和與用戶體驗(yàn)相關(guān)的車載操作系統(tǒng)兩大部分。其中，車控操作系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)車輛底盤控制、動(dòng)力系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛等功能。從應(yīng)用場(chǎng)景來看，車控操作系統(tǒng)主要包括：1）嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，主要用于車輛控制，比如動(dòng)力系統(tǒng)與底盤控制等環(huán)節(jié)。2）基于POSIX標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，主要用于車輛控制，比如動(dòng)力系統(tǒng)與底盤控制等環(huán)節(jié)。其特點(diǎn)是高實(shí)時(shí)性、高可靠性、功能安全、信息安全和高性能計(jì)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(dòng)力、底盤、車身等基礎(chǔ)硬件，而是一個(gè)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(shí)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(yīng)用程序的運(yùn)行。2）提供多形式的人機(jī)界面，支持上層軟件的運(yùn)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(nèi)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(gè)，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(jì)，2020年QNX的市場(chǎng)占有率為44%；其次為L(zhǎng)inux，占了34%。

其中，QNX是黑莓旗下的一個(gè)子公司，它以安全穩(wěn)定和實(shí)時(shí)性著稱，適用于儀表和動(dòng)力系統(tǒng)。它采用了非開源的微內(nèi)核架構(gòu)，是第一個(gè)符合ISO26262 ASIL-D規(guī)范的實(shí)時(shí)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(shí)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(shè)上有所欠缺，因此適合用于儀表和動(dòng)力系統(tǒng)等對(duì)安全要求高，但生態(tài)要求弱的應(yīng)用場(chǎng)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(chǎn)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(gè)版本，并應(yīng)用于Intel 8088 CPU。1984年，為了避免侵權(quán)問題，Quantum Software Systems公司將其重命名為QNX。2004年，哈曼國(guó)際以1.38億美元的價(jià)格收購了QNX，2010年4月，黑莓又從哈曼國(guó)際手中收購了QNX軟件系統(tǒng)，以獲取其車載無線連接技術(shù)。

其實(shí)，QNX問世之初主要是面向嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，后來才逐步向汽車制造業(yè)領(lǐng)域拓展的。在被哈曼國(guó)際收購之前，QNX系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了汽車行業(yè)的遠(yuǎn)程信息粗粒系統(tǒng)中。哈曼國(guó)際收購QNX后，將其設(shè)計(jì)到了200多種不同的汽車品牌和型號(hào)中，由于哈曼國(guó)際自身在信息娛樂領(lǐng)域有身后的積累，QNX也被應(yīng)用在了信息娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)中。黑莓收購QNX后，又將QNX在汽車中的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大，除了車載ECU之外，還陸續(xù)推出了QNX CAR和QNX CAR2.0應(yīng)用平臺(tái)。此外，黑莓還陸續(xù)發(fā)布QNX Aviage多媒體套件、QNX Aviage聲學(xué)處理套件、QNX HMI套件等中間件，進(jìn)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(tái)SDP 7.0，支持Intel和Arm 32位和64位平臺(tái)，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(dòng)駕駛設(shè)計(jì)，開發(fā)者能夠?qū)踩P(guān)鍵型環(huán)境從非安全關(guān)鍵型環(huán)境中分離隔絕開來，確保關(guān)鍵系統(tǒng)不會(huì)暴露在風(fēng)險(xiǎn)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(diào)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(tái)等等。操作系統(tǒng)角度來看，QXN提供Hypervisor解決方案，支持復(fù)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(gè)SoC上，通過虛擬機(jī)的方式兼容Android和 Linux系統(tǒng)。

Linux是一個(gè)基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)，核心在于網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)架構(gòu)，支持多用戶、多任務(wù)、多線程的同時(shí)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(shè)的擴(kuò)張，限制了它在車載導(dǎo)航和車載娛樂上的發(fā)展，因此適用于后臺(tái)操作系統(tǒng)，并且適用于車聯(lián)網(wǎng)以及自動(dòng)駕駛技術(shù)對(duì)可靠性及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的雙重需求。Linux系統(tǒng)隨著車聯(lián)網(wǎng)和ADAS的發(fā)展逐步獲得了更多的生存空間。特點(diǎn)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(chǎn)、特斯拉等。

跟QNX一樣，Linux最初也并不是面向汽車市場(chǎng)的，過去它主要面向服務(wù)器操作系統(tǒng)市場(chǎng)，在桌面和工業(yè)嵌入式領(lǐng)域雖然有一定應(yīng)用，但需要面對(duì)Windows和QNX的激烈競(jìng)爭(zhēng)。不過，在2014年，Linux基金會(huì)聯(lián)合Intel、Toyota、三星、英偉達(dá)等多家企業(yè)推出了汽車端開源車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Automotive Grade Linux（AGL，汽車級(jí)Linux）。

AGL是一個(gè)協(xié)作開源項(xiàng)目，它將汽車制造商、供應(yīng)商和技術(shù)公司聚集在一起，為汽車應(yīng)用構(gòu)建了一個(gè)基于Linux的開放軟件平臺(tái)，并允許汽車制造商和供應(yīng)商重復(fù)使用相同的代碼庫，提升產(chǎn)品研發(fā)效率。據(jù)AGL官網(wǎng)介紹，AGL最初專注于信息娛樂系統(tǒng)，目前已經(jīng)開源的系統(tǒng)項(xiàng)目包括信息娛樂、儀表盤、平視顯示器 (HUD)、遠(yuǎn)程信息處理/聯(lián)網(wǎng)汽車、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、功能安全和自動(dòng)駕駛等，涵蓋車輛中所有軟件的組織。目前，AGL開發(fā)項(xiàng)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(dá)、三菱汽車、日產(chǎn)、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(jī)短積累了大量的應(yīng)用生態(tài)，在車載娛樂領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。Android手機(jī)上的應(yīng)用能夠很快地移植到車機(jī)上，能快速豐富車載應(yīng)用，但它在安全性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性上還有待提升。

Android系統(tǒng)最早是基于Linux內(nèi)核打造的。2003年時(shí)，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(jī)的操作系統(tǒng)，后來由于市場(chǎng)空間不足，進(jìn)而轉(zhuǎn)向手機(jī)操作系統(tǒng)領(lǐng)域。2005年，谷歌以5000萬美元的架構(gòu)收購了Android Inc.，Rubin開始領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)開發(fā)基于Linux內(nèi)核的移動(dòng)設(shè)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(shè)備聯(lián)盟（Open Handset Alliance），旨在打造全面開放的移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)，Google以Apache免費(fèi)開源許可證的授權(quán)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(jī)上，標(biāo)志著Android系統(tǒng)正式問世，從此之后，一路狂奔，成為手機(jī)操作系統(tǒng)的王者。

Android系統(tǒng)在汽車領(lǐng)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(chǎng)，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(dá)，在CES上宣布成立開發(fā)汽車聯(lián)盟，旨在生產(chǎn)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(gè)人智慧助理Google Now、衛(wèi)星定位和導(dǎo)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(chǔ)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A(yù)PP），Android Automotive OS可以直接嵌入車輛，讓汽車變成一臺(tái)類似Android手機(jī)的IT設(shè)備，而無需使用手機(jī)進(jìn)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(guó)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(chǎng)景，支持多內(nèi)核，包括Linux內(nèi)核、LiteOS和鴻蒙微內(nèi)核，可按各種智能設(shè)備選擇所需內(nèi)核，例如在低功耗設(shè)備上使用LiteOS內(nèi)核。鴻蒙OS能支持128K到8G內(nèi)存范圍內(nèi)的硬件設(shè)備，跨度較大，對(duì)硬件的性能要求相對(duì)較低。該系統(tǒng)滿足幾乎所有設(shè)備的需求，從耳機(jī)、手機(jī)、平板、智慧屏到車機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備中的交互。

汽車操作系統(tǒng)的市場(chǎng)格局

智能座艙和智能駕駛是目前汽車領(lǐng)域最熱門的兩個(gè)領(lǐng)域，汽車操作系統(tǒng)目前也主要應(yīng)用在這兩個(gè)領(lǐng)域。目前座艙領(lǐng)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(shì)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(lǐng)域的市占率會(huì)進(jìn)一步提高。

在智能座艙領(lǐng)域很少又廠商會(huì)使用Linux系統(tǒng)，鴻蒙系統(tǒng)會(huì)有用一些，因?yàn)槿A為在深度參與車廠的造車，他們會(huì)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(huì)出貨，這就意味著，目前大多數(shù)的廠商已經(jīng)開始著手下一代產(chǎn)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(nèi)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(dòng)駕駛等級(jí)的越來越高，Linux具有天然的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠嚨淖詣?dòng)駕駛研究大部分都是從實(shí)驗(yàn)室開始的，而實(shí)驗(yàn)室的研究人員研發(fā)時(shí)采用的系統(tǒng)幾乎都是Linux系統(tǒng)，因此，從實(shí)驗(yàn)室到落地，為了減少移植系統(tǒng)帶來的成本，很多廠商就會(huì)直接選擇Linux來作為自動(dòng)駕駛的操作系統(tǒng)。

就目前來看，自動(dòng)駕駛方面，Linux系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)會(huì)更大，但也有一些廠商在采用QNX切入自動(dòng)駕駛。這是因?yàn)長(zhǎng)inux系統(tǒng)有一個(gè)天生的缺點(diǎn)，那就是它沒有辦法做功能安全等級(jí)ISO26262規(guī)范的ASIL認(rèn)證。ASIL(Automotive Safety Integrity Level)是指汽車安全完整性等級(jí)。它是由ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)定義的風(fēng)險(xiǎn)分類系統(tǒng)，用于公路車輛的功能安全。該標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致的危害，不存在不合理的風(fēng)險(xiǎn)”。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(biāo)識(shí)了四種ASIL。ASILA代表最低級(jí)別，而ASIL D代表最高的汽車危害等級(jí)。

一般來說，需要兩年才能走完產(chǎn)品的認(rèn)證過程，這個(gè)周期對(duì)于整個(gè)研發(fā)來說是相當(dāng)長(zhǎng)的。但是QNX已經(jīng)過了安全認(rèn)證了，所以很多國(guó)外廠商會(huì)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(dòng)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(lǐng)域，自動(dòng)駕駛方面僅是比較初級(jí)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(dòng)駕駛方面向前推進(jìn)。

總的來說，國(guó)內(nèi)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(duì)來說更加保守一點(diǎn)。

結(jié)語

從長(zhǎng)遠(yuǎn)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(huì)越來越高，算力也會(huì)足夠強(qiáng)，到時(shí)候汽車軟件生態(tài)也會(huì)更加豐富，作為最底層的操作系統(tǒng)的價(jià)值也更加重要。未來，汽車上座艙操作系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)可能會(huì)變成同一個(gè)操作系統(tǒng)。當(dāng)然，也有可能仍然會(huì)有兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)存在，但另一個(gè)僅作為備份存在。