滿(mǎn)足汽車(chē)遠程信息處理需求的汽車(chē)級Linux操作系統

引言：與生俱來(lái)的穩定性、功率節省以及能夠根據需要裝載設備驅動(dòng)程序等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)讓Linux非常適合于遠程信息處理和駕駛者界面應用。

　　對下一代遠程信息處理設備的設計工程師來(lái)說(shuō)，嵌入式Linux在商業(yè)和技術(shù)上的優(yōu)勢非常有吸引力。直到最近，嵌入式Linux技術(shù)仍缺乏遠程信息處理市場(chǎng)所需的確定性、啟動(dòng)時(shí)間性能和電源管理能力。但如今，汽車(chē)級Linux則是未來(lái)汽車(chē)電子所必需的。

　　遠程信息處理是一個(gè)涵蓋性術(shù)語(yǔ)，代表數量眾多的汽車(chē)和駕駛者信息系統和服務(wù)。自動(dòng)緊急呼叫和位置標示是其中的關(guān)鍵部分，但緊接其后的是遠程汽車(chē)安全和跟蹤系統、路線(xiàn)導航、實(shí)時(shí)交通信息、專(zhuān)用移動(dòng)消息以及管家服務(wù)，包括自動(dòng)預定賓館和飯店、預定車(chē)位和支付車(chē)位費用等。在不久的將來(lái)，駕駛者有望能夠點(diǎn)播音視頻下載(類(lèi)似于用個(gè)人電腦和手機進(jìn)行下載)。此外，汽車(chē)制造商對遠程診斷和維修服務(wù)越來(lái)越有興趣，以便提高汽車(chē)的可靠性和最低盈利。

　　當前，遠程信息服務(wù)通過(guò)一個(gè)專(zhuān)用的車(chē)內硬件(通常被稱(chēng)為“黑匣子”)進(jìn)行操作。這個(gè)黑匣子通常包括一個(gè)具有硬連線(xiàn)天線(xiàn)的全球定位系統(GPS)接收器、一個(gè)中央微處理器和一個(gè)連接主流外部蜂窩網(wǎng)絡(luò )基礎設施的通信板。

　　目前，許多技術(shù)正發(fā)展成需要采用下一代GPS接收器和通信板，以支持衛星定位(歐洲將在2009年擁有自己的衛星網(wǎng)絡(luò ))和電信方面(升級到3G，這種蜂窩網(wǎng)絡(luò )正在建立當中，而且802.11“Wi-Fi”和衛星通信也正被廣泛采用)的最新發(fā)展。所有這些進(jìn)步都意味著(zhù)在當前模式下，改變或者升級整個(gè)黑盒子將很常見(jiàn)。

　　本地市場(chǎng)的偏愛(ài)問(wèn)題變得越來(lái)越重要了，因為北美的駕駛者已經(jīng)開(kāi)始定購國家衛星無(wú)線(xiàn)電廣播系統，而歐洲的駕駛者則喜歡數字音頻廣播(DAB)系統。這兩個(gè)廣播系統盡管具有完全不同的特性，但都需要與構成遠程信息處理系統主要接口的駕駛者信息系統的其它部分進(jìn)行集成。

　　這種變化需要很高的成本，因此將各種元件嵌入到核心汽車(chē)電子架構的普遍趨勢被認為是非常有效的解決方案，因為單個(gè)元件可能很快被取代，而一組元件則不會(huì )。

　　復雜性需求

　　這些區域性需求和遠程信息服務(wù)的快速發(fā)展給系統設計者和系統集成者帶來(lái)了沉重負擔，相當重要的原因是車(chē)內硬件系統的單一來(lái)源幾乎是未知的。一個(gè)典型的情形是美洲豹Jaguar的駕駛者信息系統，該系統結合了三菱公司的觸摸屏與摩托羅拉公司的免提電話(huà)系統、Clarion公司的導航系統、Visteon公司的語(yǔ)音啟動(dòng)以及Harman-Kardon公司的音頻系統等。因此，系統設計者將這些獨立的產(chǎn)品逐個(gè)模塊地集成在一起。只要這種復雜系統繼續作為高端汽車(chē)的配置，這種開(kāi)發(fā)方法就是可以接受的，因為高端汽車(chē)的開(kāi)發(fā)預算大，要求構建模塊數量少，所以可允許采用這種開(kāi)發(fā)方法。

　　然而，隨著(zhù)遠程信息處理技術(shù)逐漸在利潤較低、產(chǎn)量更高的汽車(chē)中得到應用，當設計工程師能夠利用普通的硬件和軟件平臺加速集成并創(chuàng )建快速配置的架構時(shí)，分水嶺就出現了。未來(lái)的車(chē)內系統將依賴(lài)這么一個(gè)平臺：在這個(gè)平臺上，來(lái)自最合適渠道的硬件和軟件，能以最小的開(kāi)發(fā)成本為購買(mǎi)它們的駕駛者帶來(lái)最大好處。

　　除了規模經(jīng)濟的基本商業(yè)邏輯和這些平臺的靈活設計性之外，它們還增加了嚴格的安全性規范要求。這種使用底層平臺的方法，可實(shí)現快速測試周期和對重復使用很關(guān)鍵的模塊化構建塊。邏輯上說(shuō)，在所有層次上使用公共操作平臺(硬件和基礎軟件的組合)的應用將最為有效。

　　全球最大的汽車(chē)電子組件供應商Delphi公司幾年之前曾聲明支持一種公共的開(kāi)放計算平臺，這是該公司2000年后的又一次聲明。在2000年的那次聲明中，他們宣稱(chēng)與瑞典電信公司愛(ài)立信聯(lián)合開(kāi)發(fā)一系列他們稱(chēng)之為的“即插即用”的遠程信息處理和駕駛者信息服務(wù)。那時(shí)Delphi在媒體咨詢(xún)會(huì )上公布的商業(yè)模式，代表了汽車(chē)遠程信息處理和多媒體系統的特殊系統需求。這種模塊化系統基于一種開(kāi)放平臺，并要求選用和組合的硬件來(lái)自這些元件列表：微處理器和相關(guān)IC(200至500MIPS)、存儲器(128MB SDRAM和128MB閃存)、電磁兼容性(EMC)、算法處理功能、顯示功能(從Q-VGA 到VGA+)、計算機產(chǎn)生的圖形、針對CD-ROM和DVD的ATAPI、MPEG接口，以及關(guān)電模式I2C、 I2S、RS-232、IrDA、CAN、J1708、MML、PCMCIA、PCI、USB、AC97、SPI等。

　　增加到這個(gè)列表中的軟件功能包括Java兼容性、兼容POSIX的實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)、導航、語(yǔ)音處理、視頻處理以及具有車(chē)內數據總線(xiàn)的通信。為確保汽車(chē)系統的功能并優(yōu)化功耗和散熱，每個(gè)模塊的電源都可在軟件控制下打開(kāi)或關(guān)斷。另外，系統被設計成能夠充分升級以提供所需的確定性級別，這樣不需要定制核心平臺，便可根據不同范圍或者不同模塊提供各種特性級別。
　　開(kāi)放源代碼

　　由于可更好地適應電子市場(chǎng)發(fā)展步伐所需的創(chuàng )新周期和需求，所以開(kāi)放源代碼軟件是汽車(chē)制造商自然而然的選擇?？缮壖軜嫷年P(guān)鍵特性和快速的技術(shù)轉移為廣泛采用Linux作為操作系統平臺創(chuàng )造了機遇。

　　Linux能提供構建開(kāi)放源代碼和可升級車(chē)內架構的必要基礎。作為一種操作系統，Linux固有的穩定性將支持所有開(kāi)發(fā)。向基于過(guò)程的開(kāi)發(fā)方法轉移要求Linux平臺具有更多優(yōu)點(diǎn)，它必須能滿(mǎn)足駕駛者所期望的復位快速啟動(dòng)和對來(lái)自CAN、串行或者M(jìn)OST總線(xiàn)的車(chē)內信息的快速響應。由于其獨特的處理模式，Linux能處理局部故障而不會(huì )導致大規模的系統崩潰，并且能從這些故障中恢復。Linux還具有廣泛的可用性，因此在開(kāi)發(fā)來(lái)自外部需求的兼容性硬件和軟件時(shí)不會(huì )有任何障礙，這意味著(zhù)與其它開(kāi)發(fā)模式相比，它的系統集成和成本控制是可預測的。Linux使受人歡迎的開(kāi)放標準操作系統成為可能，在這些操作系統中最著(zhù)名的是POSIX和由IEEE開(kāi)發(fā)的便攜式操作系統接口，后者目前以第二級形式的IEEE Std 1003.1 2004 版發(fā)布。

　　穩定性是Linux的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)，這種穩定性根植于其內核架構中。在Linux操作系統中，不同的應用程序相互隔離，并與核心Linux內核隔離。這種隔離處理可確保系統任務(wù)不會(huì )被普通用戶(hù)破壞，并由正常運行在Linux操作系統上的硬件進(jìn)行執行。這種硬件，特別是存儲器管理單元(MMU)，目前在很多嵌入式處理器中都具有，并且可提供內核可駐留的虛擬地址范圍。這個(gè)虛擬地址范圍被映射到物理存儲器，MMU對虛擬地址范圍進(jìn)行監控以確保正確地對這個(gè)地址進(jìn)行存取訪(fǎng)問(wèn)。當訪(fǎng)問(wèn)地址超出這個(gè)范圍時(shí)，MMU將發(fā)送一個(gè)異常信息給操作系統并對之進(jìn)行處理，以防止用戶(hù)代碼破壞物理存儲器的其它區域。Linux操作系統還利用MMU分割每個(gè)用戶(hù)處理。事實(shí)上，利用用戶(hù)可以使用的服務(wù)甚至可以提供一個(gè)分割的設備驅動(dòng)程序，以便很容易地在運行當中進(jìn)行升級，并使關(guān)鍵設備驅動(dòng)程序不會(huì )破壞其它系統和應用服務(wù)。這意味著(zhù)系統任務(wù)與用戶(hù)任務(wù)是隔離的，前者不會(huì )受后者影響。它們甚至有可能配置成可自我修復和自動(dòng)重啟。汽車(chē)駕駛者希望系統具有一致的穩定性，開(kāi)放源代碼的硬件和軟件則為實(shí)現這種服務(wù)級別提供了最大可能性。

　　Linux內核比一般RTOS內核大很多，通常需要占用600KB~1.2MB存儲空間，但是在這個(gè)范圍內，可以定制Linux來(lái)提供多種服務(wù)與功能，從而成為遠程信息處理應用的優(yōu)秀選擇。Linux的模塊化架構組合了BusyBox(一種嵌入式應用工具包，它在一個(gè)可執行程序里包含許多標準Unix工具)等特定嵌入式工具，可保證得到“最適合”的功能，并同時(shí)確保系統的微管理成本仍是可管理的。假如不同尺寸類(lèi)別的汽車(chē)希望具有不同級別的原始設備和更新硬件，那么這種核心靈活性對汽車(chē)制造商是很必要的。

　　按需要加載/卸載設備驅動(dòng)程序

　　使Linux非常適合于遠程信息處理和駕駛者界面應用的另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，是它能夠根據需要裝載設備驅動(dòng)程序。例如，當將CD-ROM、DVD或者硬盤(pán)安裝在汽車(chē)里，但是只是偶爾使用一下時(shí)，這個(gè)特性就非常有用。如果需要這個(gè)硬件，設備驅動(dòng)程序將在數毫秒內加載，如果系統不再需要該硬件，則它將自動(dòng)卸載。

　　這種根據需要裝載設備驅動(dòng)程序的功能可確保Linux平臺一直具有最佳操作速度。對許多產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，Linux系統已經(jīng)具備良好的實(shí)時(shí)響應特性，但還可對它進(jìn)一步優(yōu)化以適應遠程信息處理和駕駛者界面應用。這些優(yōu)化一般專(zhuān)注于針對Linux操作系統將底層硬件的性能最大化，它們集中在兩個(gè)相似的功能：具有優(yōu)先權的內核功能和低延時(shí)補丁，這些可以分開(kāi)使用或者結合起來(lái)使用。(注：補丁是升級或修改Linux內核的一種常用方法)。對引導裝載程序增加的修改可提供大多數汽車(chē)軟件工程師所期望的快速啟動(dòng)和快速系統特性裝/卸載功能。除了將Linux操作系統的響應時(shí)間減少到普通操作狀態(tài)外，如今最新技術(shù)允許在要求通信總線(xiàn)響應時(shí)間低于60ms和整個(gè)引導過(guò)程時(shí)間在幾百毫秒范圍內的環(huán)境中使用Linux操作系統。

　　節省功率

　　Linux 還能解決汽車(chē)制造商面臨的另外一個(gè)兩難問(wèn)題，即功率節省。隨著(zhù)在不久的將來(lái)，汽車(chē)電子/電氣部分占整個(gè)系統成本的40%，預計往42V系統轉移將不可避免，因為它能提供所期望的8kW/h功率，明顯高于目前標準12V(實(shí)際上是14.2V)電池系統提供的2到3kW/h功率。但在轉移過(guò)程中阻力重重，其中主要來(lái)自于汽車(chē)子系統(主要是照明、電池、儀表和駕駛者信息系統)生產(chǎn)商，他們在14.2V架構上投入巨大。這種意外阻力迫使汽車(chē)制造商重新考慮他們對42V系統的立場(chǎng)?，F在有一種技術(shù)可讓汽車(chē)繼續使用14.2V系統，它常通過(guò)轉移到一種允許電子管理系統進(jìn)入完全無(wú)源模式的操作模式來(lái)實(shí)現這點(diǎn)，而當需要這些設備時(shí)，系統可以立即恢復到以前狀態(tài)，然后再返回睡眠狀態(tài)。結合處理器共享技術(shù)，在功耗和系統運行方面都足以保持絕對的高效。但是，如果沒(méi)有開(kāi)放、穩定、確定性的內核操作系統，這種高效是不可能實(shí)現的，特別是在汽車(chē)這樣的惡劣環(huán)境中。

　　當將Linux用作整個(gè)平臺基礎的時(shí)侯，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是Linux的部分優(yōu)勢。此外，龐大的開(kāi)發(fā)者社群對代碼庫所做的貢獻使這種技術(shù)快速向前發(fā)展。由于Linux的授權模式，已有很多資源可被用于技術(shù)支持和正在進(jìn)行的開(kāi)發(fā)。

　　事實(shí)上，為進(jìn)行硅驗證和增強參考平臺技術(shù)，許多半導體和電路板制造商正大量投入Linux技術(shù)開(kāi)發(fā)。盡管這些優(yōu)點(diǎn)很明顯，但由于內核和驅動(dòng)程序的授權模式，Linux還是存在認知的局限性。

　　這些認知阻礙了汽車(chē)制造商對開(kāi)放源代碼系統的廣泛采用，因為他們擔心陷入知識產(chǎn)權方面的問(wèn)題，包括自己的知識產(chǎn)權和其它開(kāi)發(fā)商的知識產(chǎn)權。然而，對那些被創(chuàng )建運行在Linux操作系統上的應用程序來(lái)說(shuō)，哪些知識產(chǎn)權受保護，哪些不受保護是很清楚的。

　　另一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題是，主要的系統提供商和集成商很少能夠提供規劃未來(lái)發(fā)展方向和時(shí)間表的技術(shù)線(xiàn)路圖。由于銷(xiāo)售商提供了一種可靠、可信賴(lài)的Linux操作系統(具有汽車(chē)市場(chǎng)所要求的功能)，所以消費者和市場(chǎng)將需要并且提出這些問(wèn)題的解決方法。通過(guò)結合汽車(chē)級軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程和程序、清晰理解將應用程序代碼加到整個(gè)系統的架構要求，以及關(guān)鍵芯片和硬件銷(xiāo)售商的持續供應鏈管理，大多數問(wèn)題都將得到解決。

　　本文小結

　　在這個(gè)市場(chǎng)中的Linux繼續沿著(zhù)標準汽車(chē)技術(shù)應用的曲線(xiàn)發(fā)展，它的廣泛采用只是時(shí)間問(wèn)題。隨著(zhù)半導體生產(chǎn)商越來(lái)越多使用Linux進(jìn)行硅片生產(chǎn)前的評估和性能測試，市場(chǎng)推動(dòng)力不斷加大。此外，芯片設計工程師正逐漸理解軟件架構對芯片銷(xiāo)售的重要性，他們開(kāi)始采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的Linux芯片和主板支持包來(lái)展示器件的關(guān)鍵特性，并且市場(chǎng)和技術(shù)環(huán)境的融合也不斷地引導Linux在這個(gè)領(lǐng)域獲得成功。因此，向提供開(kāi)放源代碼的元件轉移正變得越來(lái)越有必要。

　　汽車(chē)級Linux是這種變化的關(guān)鍵。通過(guò)確保汽車(chē)制造商了解開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖，軟件和器件供應商也在發(fā)揮重要作用，這讓他們在開(kāi)發(fā)行業(yè)標準的硬件和軟件平臺的共同愿望上不斷前進(jìn)。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）