智能座舱系统中的Hypervisor以及多操作系统

汽车座舱的发展历史

从汽车座舱的发展路径情况来看，目前的智能座舱正处于智能时代初级阶段。按照时间线的顺序，大致分为以下3个阶段：

1960~2000年为机械时代，座舱产品主要包括机械式仪表盘及简单的音频播放设备，功能结构单一，基本都是物理按键形式，可提供的信息仅有车速、发动机转速、水温、油耗等汽车的基本信息；2000~2015年是电子时代，随着汽车电子技术的发展，座舱产品进入电子时代，装置仍以机械仪表为主，开始使用少数小尺寸中控液晶，此外也增加了导航系统、影音等功能，为驾驶员提供较多信息；2015年进入智能时代初级阶段，以大尺寸中控液晶屏为代表率先替代传统中控，全液晶仪表开始逐步替代传统仪表，中控屏与仪表盘一体化设计的方案开始出现，少数车型新增抬头显示屏(Head Up Display，简称HUD)、流媒体后视镜等，人机交互方式多样化，智能化程度明显提升。但现阶段大部分座舱产品仍是分布式离散控制，即操作系统互相独立，核心技术体现为模块化、集成化设计。未来随着高级别自动驾驶逐步应用，芯片和算法等性能增加，座舱产品将进一步升级，多屏互动、AR/VR等技术的普及，核心技术体现为进一步集成智能驾驶的能力。

智能座舱产业链中存在的机会

智能座舱全产业链分为三大环节：上游，中游和下游。中游是我们通常意义上所指的是一级供应商，通过整合上游各类软硬件，组装成智能座舱产品，提供给下游集成厂商。因为上游厂商的技术含量较高，所以我们下面详细分析一下上游产业链的情况。

芯片层

一芯多屏技术是未来的主要发展趋势。随着汽车座舱内部功能越来越丰富，而传统座舱，仪表、娱乐、中控等系统相互独立，主要由单一芯片驱动单个功能/系统，通信开销大。“一芯多屏”模式采用一颗芯片支持多个操作系统，不仅解决了系统之间高成本的通信开销问题，同时缩短了通信时间。

座舱域控制器芯片形成传统汽车电子和消费电子厂商两大阵营。座舱域控制器芯片市场的主要参与者包括NXP的i.mx8系列、德州仪器Jacinto 7、瑞萨R-CAR 3等传统汽车芯片厂商，主要面向中低端市场，此外手机领域的厂商如联发科MT27xx系列、英特尔Apollo Lake系列、三星Exynos Auto 88xx系列与V系列、高通的SA系列等也加入市场竞争中，主要面向高端市场。目前国内搭载座舱域控制器芯片的车型绝大部分仍然采用的是德州仪器的Jacinto6和NXP的 i.mx6等上一代产品。国内竞争者主要有华为和地平线。

虚拟层

智能座舱系统让驾驶及汽车成为一体，通过不同的视觉模式，掌控行车环境及车内信息。随着高性能多核处理器在座舱电子领域的广泛应用，面对复杂的环境和控制要求，虚拟机能够更好地发挥芯片性能和节约成本，已经成为座舱电子不可或缺的软件系统。为了实现一芯多屏，即在降低成本的情况下，同时最大限度地发挥出底层芯片的性能，通常需要引入硬件虚拟层，又叫做Hypervisor。Hypervisor(还可以叫做虚拟机监视器)是一种运行在芯片硬件之上和操作系统之间的中间软件层。由于智能座舱需要同步支持QNX、Android、Linux等多操作系统，因此在物理硬件之上需要一个虚拟化平台(Hypervisor)以支持各个操作系统的运行。Hypervisors即要负责协调硬件资源的访问，也要负责在各个操作系统(运行在虚拟机中)之间的安全隔离。当系统启动并执行Hypervisor时，它会加载各虚拟机操作系统，同时会分配给各虚拟机适量的内存，CPU，网络和磁盘等资源。

在虚拟化环境下，物理服务器的CPU、内存和I/O等硬件资源被虚拟化并受Hypervisor的调度，多个操作系统在Hypervisor的协调下可以共享这些虚拟化后的硬件资源，同时每个操作系统又可以保存彼此的独立性。对智能座舱系统来说通常是三个OS：1). 一个是强调实时性的仪表OS，一般是ASIL B级别，对实时性要求最高；2). 一个是丰富功能的娱乐OS，一般是ASIL A级别，对实时性要求最低，但是需要有丰富的接口易于支持上层应用程序的开发和移植；3). 还有一个弱ADAS功能，如360环视，DMS驾驶者行为监控，面部识别等，一般是ASIL C级别，对实时性要求处于中等水平。目前常见的虚拟机包括黑莓的QNX、英特尔主导的ACRN、Mobica为代表的XEN、松下收购的Open Synergy的COQOS、德国大陆汽车的L4RE，法国VOSyS的VOSySmonitor，其余还有很多，包括Green Hills的Integrity，日本的eSOL，SYSGO 的Pike，Mentor的Nucleus，三星哈曼的Redbend。

其中QNX虚拟层，公认是最成熟安全程度最高的座舱虚拟机操作系统，非开源的商业产品，所以收费较高。QNX虚拟机采用虚拟CPU模式。QNX使用基于优先级的虚拟CPU共享模式，每个虚拟CPU拥有自己的优先级和时间任务进行调度，确保高安全优先级OS能够从低优先级OS那里抢占更多的物理CPU资源。虚拟CPU拥有估计资源预算能力，进而在物理CPU上实现自适应分区。能够最大化利用硬件资源。各OS之间可以共享设备I/O界面，降低成本，减少开发周期。在GPU虚拟方面，QNX还引入了仲裁机制，优先为高安全等级OS提供GPU资源。

ACRN是一款灵活的、轻量级的Hypervisor，以实时性和关键的安全性为设计出发点，并且通过开源平台为精简嵌入式开发进行优化。ACRN的最大优势之一是尺寸小，发布时大约只有25K行代码。英特尔开源技术中心为项目贡献了源代码，ACRN的早期支持者包括英特尔、ADLink凌华科技、Aptiv、LG电子和东软。后续则有三星哈曼加入。ACRN的典型用例是奇瑞星途VX，这是奇瑞有史以来最高等级的车，也是奇瑞尺寸最大的车。配备了双12.3英寸液晶显示屏，仪表使用Clear Linux，中控采用最新的安卓9.0系统，这是专为车载系统开发的，包括一些专用功能，比如AI语音助手，空调灯光音量语音控制，导航AR增强等。同时配备面部识别系统，根据面部识别系统可以个性化设置内饰，同时导航是增强现实AR导航。使用Slim Boot Loader (SBL)技术让仪表盘冷启动低于2秒。

操作系统层

各大车企均基于虚拟层开发其专属操作系统。大部分车企会在底层操作系统基础之上进行定制化开发其专属的车载操作系统。例如基于QNX底层操作系统的车企有福特、奔驰、奥迪、宝马、大众、沃尔沃等，基于ACRN的车企有特斯拉、丰田、雪佛兰等。根据盖世汽车数据，2017年全球车载操作系统以QNX为主，其市占率约为49%。国内能提供定制专属操作系统的上市企业包括：中科创达、东软集团、诚迈科技、四维图新以及德赛等车机系统供应商等。阿里基于Linux系统内核开发出AliOS，上汽荣威所搭载的斑马智行系统即基于AliOS打造。此外，华为的鸿蒙系统(Harmony OS)同样基于Linux系统内核开发。