應(yīng)用:基于微內(nèi)核和安全Linux的雙核智能駕駛操作系統(tǒng)

應(yīng)用領(lǐng)域:軟件

創(chuàng)新和優(yōu)勢

技術(shù)描述:

一、技術(shù)背景分析

智能駕駛操作系統(tǒng)主要面向智能駕駛領(lǐng)域，運(yùn)行在智能駕駛域控制器上，支持自動(dòng)駕駛所需的高性能計(jì)算和高帶寬通信異構(gòu)芯片。這類操作系統(tǒng)對(duì)安全性、實(shí)時(shí)性和可靠性的要求較高，對(duì)性能和計(jì)算能力的要求也較高，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1.強(qiáng)大的計(jì)算能力，滿足融合感知和決策計(jì)算的要求；

2.強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐量，滿足多傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)訪問和處理；

3.高生態(tài)兼容性和擴(kuò)展性，滿足各種算法模型的需求；

智能駕駛操作系統(tǒng)的內(nèi)核通?；跇?biāo)準(zhǔn)POSIX接口，兼容Adaptive AUTOSAR等國際主流系統(tǒng)軟件中間件。，滿足智能駕駛不同應(yīng)用所需的功能安全和信息安全要求。同時(shí)，根據(jù)SOC異構(gòu)硬件的單元架構(gòu)和承載功能不同，對(duì)內(nèi)核系統(tǒng)功能安全級(jí)別的要求也不同。比如AI單元內(nèi)核系統(tǒng)支持QM ~ ASIL-B，計(jì)算單元內(nèi)核系統(tǒng)支持QM ~ ASIL-D，控制單元內(nèi)核系統(tǒng)需要支持ASIL-D安全級(jí)別。

智能駕駛操作系統(tǒng)的內(nèi)核通常有兩條開發(fā)路徑:

1.一種是繼承Linux豐富的開源生態(tài)，基于開源強(qiáng)大的Linux宏內(nèi)核，著力增強(qiáng)其安全性和實(shí)時(shí)性，針對(duì)功能安全級(jí)別ASIL-B開發(fā)安全Linux操作系統(tǒng)

在實(shí)時(shí)處理方面，Safety Linux包含了POSIX標(biāo)準(zhǔn)中的大部分實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)制和功能，比如符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度策略。安全Linux內(nèi)核提供內(nèi)存鎖定功能，防止存儲(chǔ)的頁面在實(shí)時(shí)處理中被換出，同時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)度算法減少了任務(wù)上下文的切換時(shí)間，從而滿足任務(wù)的時(shí)限要求。此外，通過開源實(shí)時(shí)RT補(bǔ)丁，安全Linux支持三級(jí)搶占、主動(dòng)釋放自旋鎖、資源分區(qū)、可配置任務(wù)優(yōu)先級(jí)、獨(dú)占任務(wù)綁定操作、不間斷干擾、智能遷移等特性，從而增強(qiáng)了實(shí)時(shí)調(diào)度能力。

在安全性方面，Safety Linux針對(duì)車載場景需求量身定制系統(tǒng)配置，借助ELISA開源項(xiàng)目提供的安全分析方法和認(rèn)證工具識(shí)別功能安全需求，用ISO 26262形式化或半形式化方法完成關(guān)鍵功能的正向設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。此外，它還提供了任務(wù)運(yùn)行監(jiān)控、內(nèi)核增強(qiáng)管理、緊急控制臺(tái)、可靠重啟、輕量級(jí)異常轉(zhuǎn)儲(chǔ)和系統(tǒng)黑盒等安全機(jī)制，以增強(qiáng)Linux的安全能力。

安全Linux源于Linux，擁有豐富的軟硬件生態(tài)，可以更好的支持汽車高級(jí)自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)。但是安全Linux系統(tǒng)太大，內(nèi)核代碼規(guī)模上千萬，組件關(guān)聯(lián)復(fù)雜。目前，識(shí)別和分析內(nèi)核的關(guān)鍵功能并增強(qiáng)安全性需要大量的工作，實(shí)現(xiàn)ASIL-B功能安全認(rèn)證是一項(xiàng)長期的任務(wù)。

2.另一種是基于POSIX標(biāo)準(zhǔn)的微內(nèi)核RTOS，注重功能安全，以ASIL-D功能安全級(jí)別為目標(biāo)。

微內(nèi)核RTOS只實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、時(shí)鐘、中斷、內(nèi)存管理、IPC等最基本的功能。在內(nèi)核部分，文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、POSIX接口等。都放在微內(nèi)核之外，運(yùn)行在內(nèi)存保護(hù)的用戶態(tài)空間。微內(nèi)核RTOS內(nèi)核小，代碼少，運(yùn)行速度極快，安全性和穩(wěn)定性高，不易被病毒破壞。

目前，微內(nèi)核RTOS在全球都處于研發(fā)的初級(jí)階段。不同的廠商有不同的實(shí)現(xiàn)，芯片和應(yīng)用生態(tài)還不完整。相比Linux，由于微內(nèi)核RTOS缺乏類似的開源生態(tài)環(huán)境支持，目前只適用于對(duì)功能安全性和穩(wěn)定性要求較高，但同時(shí)對(duì)軟件生態(tài)要求不太高的場景。關(guān)于未來為智能駕駛應(yīng)用推出的AI算法模型框架，微內(nèi)核RTOS需要向上擴(kuò)展，支持PSE51、PSE52、PSE53、PSE54等POSIX接口標(biāo)準(zhǔn)，甚至支持非POSIX接口標(biāo)準(zhǔn)。向下方向，需要定制適配兼容不同硬件廠商的AI計(jì)算芯片，任重道遠(yuǎn)。

第二，解決方案

目前，無論是微內(nèi)核RTOS還是安全Linux操作系統(tǒng)，在智能駕駛領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用局限性。前者功能安全水平高，但缺乏完善的生態(tài)資源對(duì)智能駕駛的支持，建設(shè)周期長。后者生態(tài)豐富，但難以獲得所需的功能安全等級(jí)認(rèn)證?？紤]到這些，中興通訊在自主研發(fā)的車載操作系統(tǒng)產(chǎn)品系列的基礎(chǔ)上，推出了基于微內(nèi)核和安全Linux的雙核智能駕駛操作系統(tǒng)解決方案，可以充分兼顧智能駕駛對(duì)功能安全和豐富應(yīng)用生態(tài)的要求，為汽車OEM主機(jī)廠智能駕駛項(xiàng)目的快速落地提供有力支撐。

圖1基于中興微內(nèi)核和安全Linux的雙核智能駕駛操作系統(tǒng)

基于微內(nèi)核和安全Linux的雙核智能駕駛操作系統(tǒng)主要由三部分組成:

1)中興微核RTOS

采用微內(nèi)核架構(gòu)，內(nèi)核只保留少數(shù)核心功能，其余功能運(yùn)行在用戶態(tài)，增強(qiáng)了核心內(nèi)核的可靠性。憑借短中斷路徑、快速中斷響應(yīng)、及時(shí)調(diào)度、精確時(shí)空配額支持，該產(chǎn)品已通過ASIL-D產(chǎn)品認(rèn)證。

2)中興Hypervisor

支持的虛擬化類型是Type-1，它允許多個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序共享硬件，從而實(shí)現(xiàn)安全的分區(qū)隔離。支持硬件虛擬化和軟件虛擬化，支持全虛擬化和半虛擬化技術(shù)?？膳c中興微內(nèi)核RTOS集成，支持原生實(shí)時(shí)任務(wù)和虛擬機(jī)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，提升整體性能。

3)中興安全Linux

在實(shí)時(shí)性、確定性和安全性方面得到增強(qiáng)的安全Linux操作系統(tǒng)，擁有業(yè)界領(lǐng)先的中斷響應(yīng)和調(diào)度效率，保證了系統(tǒng)中的關(guān)鍵事件和任務(wù)能夠得到及時(shí)處理。調(diào)度能力保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)的處理時(shí)間可以控制和預(yù)期。

如圖1所示，在中興微內(nèi)核RTOS+安全Linux的雙核方案中:

智能駕駛場景中的數(shù)據(jù)融合、環(huán)境建模、路徑預(yù)測、決策、規(guī)劃、控制等相關(guān)服務(wù)均由微內(nèi)核RTOS承載，可最高保障ASIL-D級(jí)功能安全。

AI感知處理和算法服務(wù)的集成需要使用圖形圖像處理和深度學(xué)習(xí)算法模型框架，對(duì)底層計(jì)算芯片的驅(qū)動(dòng)適配要求也較高，因此由Safety Linux承載，可以充分利用其現(xiàn)有的成熟軟硬件生態(tài)，快速完成開發(fā)。

同時(shí)，依托中興微內(nèi)核RTOS的ASIL-D功能安全能力，通過在安全Linux中部署健康監(jiān)控代理，對(duì)安全Linux的關(guān)鍵應(yīng)用、內(nèi)核和BSP進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和診斷，并根據(jù)故障級(jí)別和處理規(guī)則控制相應(yīng)的故障處理，也可以在一定程度上提高安全Linux的功能安全性。

獨(dú)特優(yōu)勢:

1.本文所描述的雙核智能駕駛操作系統(tǒng)中的微內(nèi)核產(chǎn)品中興微內(nèi)核RTOS通過了ASIL D產(chǎn)品功能安全認(rèn)證，為系統(tǒng)整體功能安全提供了必要的基礎(chǔ)和支持。

2.基于微內(nèi)核系統(tǒng)，承載了智能駕駛的大部分服務(wù)，有可能滿足相應(yīng)服務(wù)高功能安全級(jí)別的要求和保障。

3.基于實(shí)時(shí)性和安全性提升的安全Linux系統(tǒng)，承載了AI融合感知和位置相關(guān)算法服務(wù)，有利于充分利用Linux的生態(tài)能力，快速實(shí)現(xiàn)智能駕駛AI感知服務(wù)。

4.基于微內(nèi)核系統(tǒng)的監(jiān)控安全Linux系統(tǒng)有助于提高雙核智能駕駛操作系統(tǒng)的整體可用性和功能安全特性。

5.虛擬化平臺(tái)和微內(nèi)核系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)，微內(nèi)核支持原生任務(wù)和應(yīng)用運(yùn)行上層業(yè)務(wù)，避免了在Hypervisor上啟動(dòng)VM加載微內(nèi)核的常規(guī)做法，進(jìn)而避免了相應(yīng)系統(tǒng)性能的損失。

6.虛擬化平臺(tái)的安全分區(qū)引擎經(jīng)過特別定制和性能提升，注重系統(tǒng)隔離和跨域通信，可以極大地保障智能駕駛操作系統(tǒng)的整體安全性和性能。

7.本文所描述的雙核智能駕駛操作系統(tǒng)方案將結(jié)合SoC芯片適配支持的開發(fā)，可以將智能駕駛AI感知功能逐步轉(zhuǎn)移到微核心系統(tǒng)，有利于智能駕駛方案最終平滑過渡到純微核心方案，從而支持更高階自動(dòng)駕駛場景的落地。

應(yīng)用場景:

隨著電動(dòng)化、智能化帶來的汽車電子電氣架構(gòu)的革新，OEM的核心能力逐漸從機(jī)械硬件轉(zhuǎn)向電子軟硬件，汽車產(chǎn)業(yè)的價(jià)值鏈也從過去單一的硬件銷售轉(zhuǎn)向持續(xù)的軟件和服務(wù)溢價(jià)商業(yè)模式。在軟件定義汽車的大趨勢下，車載操作系統(tǒng)是傳統(tǒng)汽車升級(jí)為智能汽車的關(guān)鍵，是未來汽車如何實(shí)現(xiàn)差異化，實(shí)現(xiàn)千車一面和個(gè)性化客服的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)。

國外操作系統(tǒng)廠商的產(chǎn)品通常以黑盒形式提供，沒有源代碼，對(duì)國家自主控制和網(wǎng)絡(luò)信息安全戰(zhàn)略構(gòu)成威脅。而且國外操作系統(tǒng)廠商形成壟斷，占據(jù)強(qiáng)勢地位，對(duì)車企自身的多元化、低成本、技術(shù)支持機(jī)創(chuàng)新訴求非常不利。

相比國外廠商，國內(nèi)操作系統(tǒng)廠商普遍缺乏產(chǎn)品成熟度、量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和豐富的生態(tài)。但針對(duì)車企和供應(yīng)商對(duì)車載操作系統(tǒng)的關(guān)鍵需求，國內(nèi)廠商通常會(huì)緊密合作，及時(shí)響應(yīng)，加快自研操作系統(tǒng)的產(chǎn)品化能力。針對(duì)具體項(xiàng)目和應(yīng)用場景，國內(nèi)廠商將提供量身定制的服務(wù)，賦能車企、供應(yīng)商等合作伙伴，共同探索車輛操作系統(tǒng)的國產(chǎn)化方案，努力避免和解決“卡脖子”問題。

考慮到這些因素，國內(nèi)部分汽車主機(jī)廠采用開源的Linux作為智能駕駛操作系統(tǒng)，促進(jìn)了L3級(jí)別以下項(xiàng)目的實(shí)踐。但這些項(xiàng)目一般只注重功能實(shí)現(xiàn)和用戶體驗(yàn)，弱化了對(duì)功能安全的考慮，不利于后期向高水平自動(dòng)駕駛項(xiàng)目演進(jìn)。

基于此，中興通訊推出的微內(nèi)核+安全Linux雙核智能駕駛操作系統(tǒng)，可以有效解決目前國內(nèi)汽車主機(jī)廠對(duì)智能駕駛操作系統(tǒng)的訴求，快速構(gòu)建智能駕駛商業(yè)生態(tài)，同時(shí)提供與自動(dòng)駕駛水平相匹配的功能安全水平需求。再者，也考慮到了后期向更高級(jí)自動(dòng)駕駛場景的平滑演進(jìn)。

現(xiàn)階段考慮到底層SoC芯片的AI感知驅(qū)動(dòng)和算法適配，生態(tài)依賴復(fù)雜，涉及芯片廠商的核心算法庫，純微內(nèi)核智能驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)的方案需要時(shí)間和SoC廠商的深度技術(shù)支持，尤其是GPU核心ip驅(qū)動(dòng)的源代碼授權(quán)很難獲得。中興微內(nèi)核+安全Linux雙核智能駕駛操作系統(tǒng)，能更好地適應(yīng)國內(nèi)軟硬件生態(tài)現(xiàn)狀，為智能駕駛項(xiàng)目交付汽車提供了現(xiàn)實(shí)的解決方案。

根據(jù)智能駕駛業(yè)務(wù)的劃分，微內(nèi)核+安全Linux雙核智能駕駛操作系統(tǒng)可以支持以下應(yīng)用場景:

1.只有決策、規(guī)劃、控制等非AI業(yè)務(wù)的場景。

在這種場景下，只需要采用中興通訊提供的符合ASIL-D功能安全認(rèn)證的微內(nèi)核產(chǎn)品中興微內(nèi)核RTOS，部署符合POSIX接口標(biāo)準(zhǔn)的中間件，如AutoSAR AP或SOA服務(wù)框架，來承載決策、規(guī)劃和控制服務(wù)。

圖2基于中興微內(nèi)核，承載決策、規(guī)劃和控制服務(wù)。

2.只有人工智能融合感知服務(wù)的場景

在這種場景下，需要使用中興提供的中興安全Linux產(chǎn)品，可以遵循圖形圖像處理庫、AI算法模型和加速庫、智能駕駛算法基礎(chǔ)庫等。來自Linux生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)部署AutoSAR AP和SOA服務(wù)框架，承載AI融合感知服務(wù)。同時(shí)，為了提高安全Linux的功能安全性，可以部署中興微內(nèi)核RTOS+中興Hypervisor集成產(chǎn)品，其上可以運(yùn)行HostOS模式的故障檢測和診斷服務(wù)，安全Linux可以運(yùn)行GuestOS模式。故障檢測和診斷服務(wù)通過健康監(jiān)控代理監(jiān)控安全Linux虛擬機(jī)、Linux內(nèi)核和BSP驅(qū)動(dòng)程序的各種健康狀態(tài)。同時(shí)，故障檢測和診斷服務(wù)還實(shí)時(shí)監(jiān)控微內(nèi)核本身的虛擬機(jī)管理模塊、內(nèi)存和線程調(diào)度，并在出現(xiàn)故障時(shí)做出相應(yīng)的故障處理。

圖3基于中興微核心和安全Linux的雙核承載融合感知服務(wù)。

3.有決策、規(guī)劃和控制的場景，也有AI融合感知的服務(wù)。

同樣場景2，需要同時(shí)部署中興安全Linux、中興微內(nèi)核RTOS+中興Hypervisor集成產(chǎn)品，在中興安全Linux上部署AI融合感知服務(wù)，在中興微內(nèi)核RTOS上部署決策、規(guī)劃、控制等非AI服務(wù)。同時(shí)，運(yùn)行在微內(nèi)核上的故障檢測與診斷服務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控中興安全Linux內(nèi)核及其關(guān)鍵應(yīng)用和服務(wù)，為其提供一定程度的功能安全。

圖4基于中興微內(nèi)核和安全Linux的雙核分區(qū)承載智能駕駛服務(wù)。

未來，隨著國內(nèi)底層智能駕駛項(xiàng)目的落地，部分主流SoC芯片的底層驅(qū)動(dòng)適配、AI算法模型庫、融合感知處理算法可以順利移植到中興微內(nèi)核RTOS功能域，微內(nèi)核系統(tǒng)將逐步完成對(duì)上層智能駕駛應(yīng)用的全部支持。借助中興微內(nèi)核RTOS的ASIL-D功能安全能力，智能駕駛操作系統(tǒng)終于可以進(jìn)化到支持L3+高級(jí)自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)。

未來:

目前智能駕駛領(lǐng)域雖然有成熟的國外產(chǎn)品，但是都是黑匣子提供，價(jià)格昂貴，分別按照加盟費(fèi)和開發(fā)費(fèi)收取費(fèi)用。另外在客服方面也比不上國內(nèi)廠商，對(duì)用戶需求的響應(yīng)不及時(shí)，維修流程繁瑣。與底層大廠芯片形成事實(shí)上的壟斷地位，不利用國內(nèi)汽車主機(jī)廠控制話語權(quán)。

中興通訊的中興微內(nèi)核RTOS+安全Linux雙核智能駕駛操作系統(tǒng)，適用于智能駕駛各個(gè)階段的應(yīng)用場景。具有國產(chǎn)自控、需求響應(yīng)快、適應(yīng)靈活、價(jià)格合理的特點(diǎn)，是目前可以快速實(shí)施的國產(chǎn)備選最佳方案。其平滑進(jìn)化能力可以幫助OEM代工產(chǎn)品具有長久的生命力。

金獎(jiǎng)系列簡介:

“金獎(jiǎng)”由蓋世發(fā)起，旨在“尋找好公司，推廣好技術(shù)”，圍繞“中國汽車供應(yīng)鏈新100強(qiáng)”主題展開，聚焦自動(dòng)駕駛、智能駕駛艙、軟件、芯片、動(dòng)力總成電氣化、熱管理、車身與底盤技術(shù)、內(nèi)外飾、環(huán)保輕量化與新材料、服務(wù)商十大細(xì)分行業(yè)，評(píng)選出優(yōu)秀企業(yè)和先進(jìn)技術(shù)解決方案，評(píng)選出公司十大細(xì)分行業(yè)。

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