AutoSAR/GENIVI標準助拳　Linux平台加速車聯網設計

開源軟體不僅有益於汽車數位基礎設施內各種元件的連通性，而且關乎汽車與外部世界(其他車輛、互聯網、雲端)的連通性。雖然硬體供應商仍在做出重大貢獻，但現在更強調驅動汽車連通的軟體。實際上，針對嵌入式系統的軟體發展(包括建立原型、調試、測試和驗證)如今在汽車製造中已占用大部分的開發時間。

今天製造車輛可能要寫大約兩千萬行代碼(已超過製造美國F-35噴氣式戰鬥機所需的代碼量)，在不遠的將來，車廠投入製造更豪華、先進的車輛時，可預估代碼將會超過一億行，這代表開發汽車軟體將是嚴峻的挑戰。

開放軟體架構超吸睛　Linux加速滲透車載平台

Linux作業系統現在不僅應用在家用電腦中，也開始進駐汽車設計領域，它是許多頂級汽車製造商首選的開源軟體平台，將逐漸取代以往汽車業界專有或封閉式的作業系統。

世界上許多領先的汽車製造商認為，Linux作業系統不僅可運行車輛的控制單元或資訊娛樂中心，而且可操作遠端資訊處理、儀表板和其他系統。Linux已存在幾10年，並已證明其做為伺服器作業系統的效用；如今，隨著Linux功能不斷發展，它變得更像是網路作業系統，而這對遠端資訊處理和車聯網來說是個好兆頭。

眾所周知，近年Linux已推動智慧手機行業的蓬勃發展，而這樣的成功經驗或相關設計現在也逐步被汽車行業所採用。Linux平台除具有強大的網路連接功能外，還可以大幅節約成本，在全世界開原始程式碼開發人員的支持下，Linux內核將更加完備。

事實上，開放並不意味著大家可免費使用作業系統，但它一定是指軟體發展人員可以開放式地取得Linux內核資訊；Linux 有非常簡單的方法發放軟體許可證，這對汽車製造商來說具有很大的吸引力。

但是，用戶可以像升級智慧手機軟體那樣更新汽車軟體嗎？答案是絕對可以。在Linux剛被引入汽車電子系統時，汽車製造商和一級(Tier 1)供應商對其保持些許懷疑態度，因為汽車平均壽命大約是10年，而智慧手機的壽命明顯較短，如何才能向客戶承諾在汽車不斷老化的過程中，持續導入最新的應用？怎樣才能將新的車載資訊娛樂系統(IVI)搭載到已使用5年的陳舊硬體架構上？以下將針對這些設計考量詳細解說。

GENIVI通用平台問世　IVI軟體開發更輕鬆

Linux在一定程度上是一種協作的設計環境，有成千上萬的軟體發展人員一直在從事關於Linux內核與中介軟體(Middleware)堆疊的工作。世界上沒有任何其他作業系統有這樣的人力(或人力工時)規模，主動因應汽車行業不斷變化的需求和挑戰進行開發。汽車製造商能利用這種協作性的開源程式碼，進一步加快車載資訊娛樂技術的開發時程，並在這個過程中節約成本。

此外，無數的協會和非盈利性聯盟的建立也為汽車製造商提供很多協助，使其不僅能保持軟體和中介軟體的更新，而且能符合汽車行業和監管機構制定的嚴格標準。舉例來說，GENIVI Alliance和Automotive Grade Linux(來自Linux基金會)就是其中具代表性的聯盟。

GENIVI是汽車製造商和一級供應商組成的非營利性協會，他們構建和共用基於Linux的車載資訊娛樂平台。GENIVI主要工作是大力推進開源中介軟體的合規性，從而為成員提供更通用的平台，雖然中介軟體是共用的，但成員仍可以在應用級別添加自己的差異化內容來建立獨特的品牌，提供獨特的產品與服務(圖1)。

圖1　GENIVI 軟體架構圖

近期福特(Ford)的Sync平台已通過GENIVI Alliance發布其AppLink專有原始程式碼和平台認證。在福特的參與見證下，GENIVI及其成員可使用可靠的框架對開源IVI平台進行功能擴充，使其與智慧手機和平板裝置應用程式進行交互，成為開源程式碼的汽車標準。

實際上，汽車的無線軟體更新技術現在已經可以使用，且該技術也正在進行部署，以便更新車內的遠端資訊處理和資訊娛樂系統。但是，人們仍對通過車輛通訊網路(如CAN)對其他模組程式設計懷有顧慮，特別是關於安全和記憶體方面的要求。但開源軟體平台已確實納入資訊娛樂系統和其他電子模組在車輛的整個壽命期內保持更新的技術。

兼容安全/娛樂應用　Hypervisor簡化ECU設計

現今的車輛內部已有大量電子系統在工作，可能包含軍用級別的夜視功能(幫助識別穿越馬路的行人)、高級安全程式(確保氣囊瞬間內彈開)、電子穩定性控制系統和防鎖死煞車控制系統(ABS)，或是備用攝像機和感測器(幫助駕駛員在惡劣條件下查看路況)，這些電子系統都需要電子控制單元(ECU)；然而，在添加車輛IVI系統後，開發人員突然要面臨單部車輛內一系列複雜的連通性挑戰，在確定分類和優先順序時，汽車的多媒體功能應與重要的安全功能區別對待。

車聯網還意味著比以前使用更多的ECU。最近的市場研究顯示，高階車款中，可發現近一百個ECU，並且從8位元和16位元控制單元移轉到32位元微控制器(MCU)，這僅對持續降低硬體成本並同時提升性能有重要意義，但車聯網要求非常複雜的處理工作，因此，功能全面的汽車作業系統就有用武之地，Linux做為將無數功能整合到其中介軟體中的作業系統，已顯示出光明的前景。

人們一直在執行工作以確保可完成艱難、決定性的活動，並且將其與對車輛而言的重要活動區分開來，以維護駕駛安全和資料完整性，這往往要利用虛擬機器監控程序(Hypervisor)和虛擬化技術。例如，在虛擬機器監控程序中將Linux與經過安全認證的即時作業系統(RTOS)相結合是一種非常好的方法，這樣既可在單一晶片平台上組合使用不同用途的應用程式，又可透過整合模組來降低車輛的總體成本。

如圖2所示設計案例，其中Mentor Embedded Hypervisor託管兩個作業系統，第一個是Mentor Graphics XSe OPTstack和XSe SuperBSP，可操作基於Linux的資訊娛樂系統；第二個作業系統是Mentor Graphics Nucleus RTOS，可用於支持具有安全功能要求的儀表板或先進駕駛輔助系統(ADAS)應用程式。

圖2　在IVI硬體參考設計上運行虛擬機器監控程序

Mentor Embedded Hypervisor為專用於嵌入式系統的虛擬機器監控程序，可在Mentor Graphics XSe AXSB硬體參考設計上運行，其整合多項作業系統技術，為聚集混合危險性軟體應用程式提供支援。

對車聯網設計而言，除支持與人員安全有關的重要應用程式外，資訊安全也日益成為關注的重點。SELinux(Security Enhanced Linux)是一款成熟的Linux方案，正聚焦探討車聯網的內在功能，最關注的就是資訊安全，而這也是Linux遙遙領先於專有作業系統的另一大優勢。

AutoSAR標準促進ECU模組整合

隨著電子功能數量的增加，模組合併需求日益突顯。在車輛架構中添加新的ECU有許多設計考量，尤其是車輛布線線束的複雜性和重量增加，是車廠最不樂見的情況。

一般而言，ECU皆會部署冗餘軟體功能，以便提升車輛平台的穩定性。例如，車輛上包含支援語音辨識的遠端資訊處理模組，同時，IVI又為命令和控制的語音辨識提供支援，或通過連通的移動設備提供功能。此外，ADAS、駕駛員座艙資訊娛樂系統和駕駛員資訊系統之間的感測器輸入處理中有大量共用功能，這也是車廠投入模組合併的另一種情況。

ECU數量不斷增加已使車廠更加注重標準化。硬體平台的變化為重新設計軟體帶來挑戰，可能還要重新設計系統架構，以便在多個模組之間遷移或合併功能。對此，汽車開放式系統架構(AutoSAR)標準協會在這方面做出重要貢獻，其由汽車OEM、晶片製造商和軟體公司組成，並創建和制定各種汽車軟體架構的開放式標準來解決此類問題。

連通性不僅僅是指車內的ECU，而且是指車輛如何與外部世界通訊。車輛可能須連接到蜂巢式無線網路，或透過車內的行動設備連結，進而串連行動設備上的多媒體、應用程式和資料，從而增強資訊娛樂系統的功能。

M2M應用再下一城　V2X成智慧車發展新方向

汽車領域還有兩項新興通訊技術：車輛對車輛(V2V)和車輛對基礎設施(V2I)，統稱為V2X。這是機器對機器(M2M)的通訊形式，能實現車與車之間，或是車與路邊基礎設施(例如交通號誌)之間的自主通訊。V2V實際上可讓車輛使用短距離無線電交換資料來交流資訊，例如交通阻塞、天氣狀況、意外施工區域等。還有許多商業應用程式，包括收費等。V2V可以在駕駛體驗中添加全新的安全級別，其前景不可限量。

雖然像V2V這樣的車輛通訊系統不是ADAS專用的，但它可以延伸到ADAS應用程式。這種技術基於專用的短距離通訊(DSRC)，並採用無線區域網路(Wi-Fi)的免授權5.9GHz頻段，可向附近的車輛發送資訊，最遠傳輸距離約1,000公尺。這種技術最適用於在汽車之間或汽車與路邊的車站之間發送和接收本地資訊，就ADAS設計角度而言，V2V代表另一種可用於優化策略和反應的類似於感測器的輸入。

當然，V2V和V2I的實用性取決於成本和客戶需求，很可能最終將通過政府強制性規定來促進這種技術的部署。在任何情況下，成本都是無法避免的問題。Linux做為開源軟體平台可在持續降低開發成本方面發揮重要作用，而且在GENIVI這樣的標準協會持續努力下，可進一步確保V2V和V2I是基於被整個行業接受的通用方案。

Linux優勢盡顯　車載封閉系統轉向OSS

從上述設計趨勢可見，Linux必然將運行車聯網的大部分功能，從資訊娛樂系統和車頭單元系統，到須要立即啟動並具有強大安全層的遠端資訊處理。裸機、RTOS或封閉式汽車作業系統，這些傳統方案很快將轉向OSS應用。

為滿足當今汽車軟體解決方案的需求，OSS解決方案供應商首先要有經過驗證、可靠的Linux內核設計，再來還須滿足高品質和高安全性的大量自訂軟體元件需求。供應商不僅須證明自己有經驗，可持續提供這些方案，而且須能跨所有學科提供工程設計服務，這樣才能與一級供應商和其他合作夥伴一起構建最終的車聯網軟硬體設計。

此外，OSS軟體平台還須因應汽車行業的特定需求，包括最終使用者可觀察到的性能目標(例如快速啟動和圖形性能)，或是一些嚴格的系統要求，例如在50毫秒(ms)內對控制器區域網路(CAN)做出快速回應等，以及為將高解析度圖形輸出到多個顯示幕提供支援時，支援模組合併設計。

總而言之，開發汽車軟體解決方案(圖3)時，必須有經過事實證明的、廣受好評的軟體和工具。還有一點同樣重要，那就是有一大群資源豐富的工程師和項目經理，他們要有跨多個學科的知識，能為構建特定的汽車軟體提供更大的價值。

圖3　符合GENIVI的軟體堆疊解決方案

除了軟體平台外，硬體平台的早期開發並創建概念驗證也相當重要。例如明導國際(Mentor Graphics)的XSe AXSB電路板(如先前圖2所示)是一種中性設計，車輛製造商和一級供應商可使用它進行應用軟體開發。XSe AXSB電路板與相應的XSe OPTstack和XSe SuperBSP軟體平台相結合，可讓車輛製造商在開發週期的較早階段就更深入地參與進來，並通過有效而獨特的方式與一級供應鏈協作。

IVI系統在最近10年中出現長足的進展，其不再是只具有旋轉調諧器和幾個用於預選電台機械按鈕的基本AM/FM無線電廣播。現在IVI已導入許多新形式的內容，其中有些是基於網路的互動式內容，這些新系統可通過使用各種基礎技術和作業系統來實現。

目前大部分生產中的IVI系統是從Windows、Linux或QNX的專用作業系統和其他作業系統創建的，但未來的關注焦點將從技術創造轉變為由汽車OEM的意願驅動的成本優化。在這下一個階段中，Linux將被清晰定位為成本最低的選擇方案。

由於車輛中的其他系統也隨著新的要求而發展，人們將看到一種相似的模式。由於遠端資訊處理、儀表板和其他電子系統中的新功能逐漸邁向標準化，並且出於類似的商業原因，Linux可能會在這些系統中成為主流作業系統。簡而言之，車聯網的設計旅程才剛剛開始，但未來將使汽車產業全盤改變，甚至車輛的所有軟硬體元件都會受到影響。

(本文作者為明導國際高級解決方案架構師)