2022年汽车软件行业深度分析报告

2022年汽车软件行业深度分析报告目录一、软件定义汽车时代下，智能汽车软件架构逐步向SOA迈进.61.1 软件成为智能汽车差异化的核心.61.2 软硬件解耦带动汽车软件架构向SOA演进.9二、智能汽车软件架构梳理.132.1 系统软件：提供基础功能和底层环境支持，是操作系统的核心.132 1 1 硬件抽象层：Hypervisor与 BSP搭建软硬件间的“桥梁”132.1.2 OS 内核：QNX、Linux、VxWorks 为主流 162.1.3 中间件：AUTOSAR标准应用最为广泛 192.2 功能软件：提供自动驾驶的核心共性模块，支撑自动驾驶技术的实现.242.3 应用软件：智能汽车差异化的核心.27三、相关公司介绍.303.1 中科创达：车载操作系统头部厂商，由座舱域到驾驶域打开成长空间 303.2 光庭信息：国内领先的汽车软件及解决方案提供商 323.3 东软集团：全球领先的汽车电子产品和服务供应商 333.4 经纬恒润：国内汽车电子头部企业，具备提供基于SOA架构解决方案及高级别智能驾驶整体解决方案的能力 35风险提示.37图表目录图1：全球主机厂软件定义汽车布局.6图2:2020年部分典型高科技产品代码量对比（万行）.6图3:全球汽车软件与硬件内容结构占比.6图4:全球汽车软件市场规模预测（亿美元）.6图5:比亚迪推出的软硬件解耦车用操作系统BYD OS.7图6:华为智能驾驶计算平台MDC架 构.7图7:软件是实现汽车“新四化”的关键.7图8:新势力车企通过预埋大算力硬件以保证后续的软件升级能力.8图9:我国智能座舱新车渗透率高于全球水平.8图1 0:我国乘用车辅助驾驶系统占比情况预测.8国11：汽车电子电气架构逐步向域架构、中央计算架构转变.9图12:新 型EE架构下开发方式友生转变.10图 1 3:面向信号的架构（Signal-Oriented Architecture）.10图 1 4:面向服务的架构（Service-Oriented Architecture）.10图15:SOA架构降低了新功能开发的难度.11图1 6:主机厂需构建的“三大能力”.11图1 7:主机厂的开发模型逐步发生改变.11图1 8:汽车软件产业链正逐渐被重塑.12图1 9:未来软件供应商的盈利模式有望转变.12图2 0:智能汽车软硬件架构概览.13图21:Hypervisor技术可使多系统运行在同一计算平台上.14图 22:QNX Hypervisor 架构.15图 23:ACRN 架构.15图2 4:嵌入式系统对应的BSP开发内容.16图2 5:广义OS与狭义OS.16图2 6:三大主流自动驾驶OS内核.17图27:实时OS区分任务紧急性.17图2 8:分时OS不区分任务紧急性.17图29:QNX系统架构图.18图3 0:微内核OS提供完整的内存保护.18图3 1:中间件位于基础层及应用层之间.19图3 2:中间件对于推动汽车软硬件解耦具有重要作用.20图33:AUTOSAR联盟拥有300多家合作伙伴（截至2021年7月）.20图34:AUTOSAR推动着EE架构演进.20图35:AUTOSAR软件架构旨在提升软件模块的可复用性和可互换性.21图 36:AUTOSAR Classic Platform 架构.21图 37:AUTOSAR Classic Platform 基础软件层.21图 38:AUTOSAR Adaptive Platform 架构.22图3 9:智能驾驶功能软件平台架构.24图40:V2X根据交互对象不同可分为四类.25图4 1:车联网云控基础平台结构及运营主体.25图4 2:特斯拉打造AI+纯视觉的解决方案.26S 4 3:未来自动驾驶需要多传感器融合作为支撑.26图4 4:汽车价值链逐步重塑.27图4 5:用户对智能座舱配置的需求意向.27图4 6:智能座舱新车渗透率有望快速提升.27图4 7:全球自动驾驶市场规模预测（千亿美元）.28图4 8:中国自动驾驶市场规模预测（十亿元）.28图4 9:不同级别自动驾驶对地图的需求.28图5 0:传统整车厂主要通过三种方式加码汽车软件研发.29图5 1:智能座舱、自动驾驶及车路1办同三大领域布局厂商.30图5 2:中科创达TurboX Auto 4.5智能座舱平台架构.31图5 3:中科创达E-Cockpit智能座舱产品功能概述.31图5 4:中科创达E-Cockpit智能座舱产品主要优势.31图5 5:辅易航致力于可商业化的低速自动驾驶应用.32图5 6:光庭信息智能汽车领域主要产品.32图5 7:东软智能座舱整傀系统架构示例.34图5 8:东软车联网C-V2X技术应用展开场景.34图59：东软睿驰系统软件解决方案.35图6 0:经纬恒润三大主营业务.36图6 1:经纬恒润主要客户概览.36 6 2:经纬恒润基于SOA的架构开发关健技术.36图63:经纬恒润Adaptive AUTOSAR架构.36图6 4:经纬恒润MaaS解决方案.37表1:部分OEM车企SOA软件的量产部署.12表2:主流车载操作系统具有不同的特点及应用场景.14表3:车 载Hypervisor主要供应商.15表4:各OS内核比较.18表 5:Classic Platform 与 Adaptive Platform 的对比.22表6:部分供应商的中间件产品.23表7:中科创达具有完备的智能座舱产品及解决方案.30表8:光庭信息智能网联汽车业务五大产品线.33表9:东软集团智能汽车相关产品及解决方案.34一、软件定义汽车时代下，智能汽车软件架构逐步向SO A迈进1.1软件成为智能汽车差异化的核心汽车智能化的大趋势下，“软件定义汽车”成为产业共识。简单来说，软件定义汽车(SoftwareDefined Vehicles,SDV)指的是软件将深度参与到汽车定义、开发、验证、销售、服务等过程中，并不断改变和优化各个过程，实现体验持续优化、过程持续优化、价值持续创造。目前，不同车型在硬件配置方面逐渐趋同，各大车企在硬件领域已经经历了漫长的竞争，硬件及其成本持续改善的空间较为有限。相较于传统汽车，智能汽车能为车主创造丰富的、可感知的价值以及全新的驾驶体验，这也是当前不同汽车形成差异化的关键。因此，软件和算法逐步成为了车企竞争的核心要素，造车的壁垒也由从前的上万个零部件拼合集成能力演变成将上亿行代码组合运行的能力0图 1：全球主机厂软件定义汽车布局 图 2:2020年部分典型高科技产品代码量为比(万行)数据来源：赛迪顾问，东方证券研究所 数据来源：IE E,亿欧智库，东方证券研究所软件价值不断提升，全球汽车软件市场将快速增长。据麦肯锡预测，全球汽车软件与硬件产品内容结构正发生着重大变化，2016年软件驱动占比从2010年的7%熠长到10%,预计2030年软件驱动的占比将达到30%。从规模上来看，全球汽车软件市场规模将从2020年的350亿美元增长到840亿美元，未来将有巨大的空间。图 3:全球汽车软件与硬件内容结构占比数据来源：麦肯锡，东方证券研究所数据来源：麦肯锡，东方证券研究所竞逐智能化下半场，软件及计算能力成为新时代下汽车的核心。智能化、网联化、电动化、共享化已成为汽车产业变革的必然趋势，汽车产品逐步由传统代步机械工具向新一代具备感知和决策能力的智能终端转变。在汽车“新四化”浪潮的变革趋势下，比亚迪董事局主席兼总裁王传福曾在2021联想创新科技大会上表示：“电动化是上半场，智能化是下半场。智能化是更大的变革，创造的生态超乎想象。”在电动汽车时代，电池、电驱等三电核心技术是比亚迪的护城河，王传福认为，在下一个汽车时代软件决定了汽车竞争力。在2021华为智能汽车解决方案生态论坛上，华为智能汽车解决方案BU CEO余承东同样表示，电动化、网联化、智能化的时代已经到来，与传统汽车相比，智能汽车的本质已经发生了改变，计算和软件成为了汽车的核心。可以预见的是,未来汽车智能化将成为各大车厂竞逐的焦点，而软件能力将成为定义整车功能的关键。图5：比亚迪推出的软施件解耦辐操作系统BYD OS 图6:华为智能驾驶讦算平台MDC架构数据来源：；气车之家，东方证券研究所数据来源：华 为MDC智能驾驶计算平台白皮书，东方证券研究所图7:软件是实现汽车“新四化”的关健 整合第三方服务 酗OTA更新，更快的部g网联化新功能 未来汽车的部分操作可以通过云端实现电气化 引入新电子元器件 通过先进的软件算法减少能源解O自动化 内置传感器和执行器的趋势 对计算能力和通信的更高要求 对可靠性的最大化需求共享化通过应用软件呼叫共享出行服务和 Robotaxi定制化驾驶体脸数据来源：亿欧智库，东方证券研究所“硬件预埋，软件升级”成为车企主流策略，未来汽车软件、算法优化空间巨大。当前面向量产乘用车的智能驾驶系统整体处于L3及以下级别，智能驾驶技术仍在持续迭代升级中。汽车产品具备较长的生命周期，一般为5-10年，车载计算平台的算力上限决定车辆生命周期内可承载的软件服务升级上限。相较而言软件迭代更快，因此智能驾驶软件迭代周期与硬件更换周期存在错位。为保证车辆在全生命周期内的持续软件升级能力，主机厂在智能驾驶上采取“硬件预置，软件升级”的策略，通过预置大算力芯片，为后续软件与算法升级优化提供足够发展空间。以蔚来 智己、威马、小鹏为代表的主机厂在新一代车型中均将智能驾驶算力提升至500-1 OOOTops级别。图 8:新势力车企通过预埋大算力硬件以保证后续的软件升级能力2022年内G9 搭教 XPILOT 4.0 件芯片配及力2022Q12022Q13个高精超琬舒缰达5个充米i靖 达即rB这5个*南 达12个定酬超声没传感S S12个 翩I度第像头1个超远距EM K t的达-11个800万像素街W型像头-个18强主驾酶 -5个 好 波 雷 达夕 也 酬 建 像 头1套闻蜂位的元地加800索前视双目头，290万像素懈硼像头11个极像头1个独立高特定位康快1个 独 皿m定位模块兼容ar光雷达钦件架构升级方宴5个 电 破 这14超两发传感器1个V2X车路协同的2s F u m i元4H NVIDIA Orin-X1016 Tops4颗 NVIDIA Orin-X1016 Tops2瘾 NVIDIA Orin-X508 Tops1R Nvidia Xavier30 Tops激光雷达后改用NVIDIA Orin-X508-1016 TopsT 廉月儒T 介N IO巾数据来源：亿欧智库，东方证券研究所我国智能汽车产业发展速度领先世界，L3及以上级别自动驾驶落地有望为行业带来更大机遇。在巨大的消费需求推动下，我国汽车产业链中的企业密切合作，不仅构建了良性互动的生态环境，并且推动着行业标准水平快速提升。根 据 IHS Markit数据，我国2020年智能座舱新车渗透率达48.8%,且 到 2025年预计可以超过75%,无论是渗透率还是渗透率提升速度均高于全球水平。盖世汽车CEO周晓莺女士也指出，目前我国自动驾驶产业发展处于世界领先水平。从座舱域到驾驶域，近年来高算力芯片的问世加速了智能汽车向更高级别自动驾驶的演进，例如英伟达推出的Xavier(30TOPS)、DRIVE Orin(254TOPS)、DRIVE Atlan(1000TOPS),而根据地平线数据，实现L3自动驾驶的算力需达20-30TOPS,到 L4级需要200TOPS以上，可见当前芯片算力方面已为L3及更高级别的自动驾驶“做好了准备”。根据艾瑞咨询，随着智能驾驶相关上路法规的不断完善，L3级别有条件自动驾驶乘用车有望在2023年开始逐步落地。结合我国新势力车企对于今年新车型的大算力预埋，我们认为，2022-2023年将成为L3及更高级别自动驾驶发展的关键节点，具有领先软件和算法能力的车企、软件供应商有望获得重要机遇。图 9：我国智能座舱新车渗透率高于全球水平1 1 1 中国市场 全球市场数据来源：IHS M arkit,东方证券研究所图 10：我国乘用车辅助驾驶系统占比情况预测数据来源：艾瑞咨询，东方证券研究所1.2软硬件解耦带动汽车软件架构向SO A演进传统汽车分布式的EE架构难以适应软件定义汽车的时代需求：1 在 传 统E E架构中软硬件高度嵌套，软件功能的实现更加依赖于硬件。若要新增单一功能，需要改变所有与其相关的ECU软件，同时也要修改车内电线、线束布线等，功能或系统升级的复杂性极大，车企集成验证更为困难。若要实现较为复杂的功能，则需要多个控制器同时开发完成才能进行验证，一旦其中任意一个控制器出现问题，可能导致整个功能全部失效；2 在传统分布式EE架构之下，ECU由不同的供应商开发，框架无法复用，无法统一。同时，OTA外部开发者无法对ECU进行编程，无法由软件定义新的功能，以进行硬件升级;3 基于传统分布式EE架构，车企只是架构的定义者，核心功能是由各个ECU完成，其软件开发工作主要是由T ie ri完成。主机厂只做集成的工作，这也导致过去大部分主机厂自身的软件开发能力较弱。随着汽车不断向智能化、网联化方向发展，以单片机为核心的传统分布式电子电气架构已经很难满足未来智能汽车产品的开发需求，同时还面临算力束缚、通讯效率缺陷、以及不受控的线束等成本黑洞。因此，汽车电子电气架构从传统分布式架构正在朝向域架构、中央计算架构转变，而集中化的EE架构是实现软件定义汽车重要的硬件基础。图11：汽车电子电气架构逐步向域架构、中央计算架构转变域架构中央化架构数据来源：arm中国，盖世汽车，东方证券研究所在集中化的E E架构下软硬件解耦，软件开发逐渐通用化、平台化。分布式软件架构是一种面向信号的架构，控制器之间通过信号来传递信息，整个系统是封闭、静态的，在编译阶段就被定义完成，因此若主机厂要修改或增加某个控制器的功能定义，同时该指令还必须调用另一个控制器上的功能时，就不得不把所有需要的控制器都升级，大大延长开发周期、增加开发成本。止 匕 时，软硬件高度嵌套，硬件之间难以形成较强的协同性，汽车软件的可复用性和OTA升级能力整体较弱。随着汽车E E架构逐步趋于集中化，域控制器或中央计算平台以分层式或面向服务的架构部署，ECU数量大幅减少，汽车底层硬件平台需要提供更为强大的算力支持，软件也不再是基于某一固定硬件开发，而是要具备可移植、可迭代和可拓展等特性。汽车原有以ECU为单元的研发组织将发生转变，形成通用硬件平台、基础软件平台以及各类应用软件的新型研发组织形态。图 1 2:新型EE架构下开发方式发生转变数据来源：赛迪顾问，东方证券研究所为实现软件定义汽车，智能汽车软件架构需向SOA转型升级。过去汽车软件架构更多是面向信号的架构(Signal-Oriented Architecture),ECU的功能是固定的，软件被提前编写在控制器中。但随着智能汽车的发展，车内搭载的ECU数量快速增加，这不仅使ECU的点对点的通讯变得十分复杂，且不具备灵活性和扩展性，微小的功能改动都会引起整车通讯矩阵以及各ECU软件的变动。SOA(Service-Oriented Architecture,面向服务的软件架构)是一种软件架构，同时也是一种软件设计方法和理念，其具备接口标准化、松耦合、灵活易于扩展等特点:1 首先，在 SOA架构中每一个服务都具有唯一且独立互不影响的身份标识(iD),界定了清晰的功能范围，并通过服务中间件(Service Middleware)完成自身的发布、对其他服务的订阅以及与其他服务的通讯工作。因此，SOA架构解决了传统架构中因个别功能增减/变更而导致整个通讯矩阵与路由矩阵都要变更的问题。同时，SOA架构中每一个服务组件接口都是“标准可访问”的，服务组件的设计、部署不再依赖于具体特定的硬件平台、操作系统和编程语言，同样的组件/功能可以通过标准化接口在不同的车型上实现复用，实现组件的“软硬分离”。图 1 3:面向信号的架构(Signal-Oriented Architecture)图 1 4:面向服务的架构(Service-Oriented Architecture)数据来源：CSDN,东方证券研究所数据来源：CSDN,东方证券研究所2 在智能汽车时代，软件的迭代周期越来越短，独立于硬件的软件升级是持续为客户提供价值的关键。由于SOA架构具有“松耦合”的特性，服务组件和硬件均可以标准化地接入和访问,若要新增某一功能只需增加相应的服务组件并使其调用不同的硬件功能即可。因此在SOA架构下，开发人员可更多地专注于上层应用的开发，而无需再对底层算法甚至各个ECU中的软件进行重新编译，这也解决了相同的应用在不同车型及硬件环境下重复开发的痛点，使得汽车软件架构十分灵活并易于拓展。图 15:SOA架构降低了新功能开发的难度传统软件架构重新编写中间件SOA软件架构AP蹴 件APP(WPig)9 基砒软件层重新编写数据来源：亿欧智库，东方证券研究所在软硬件解耦以及汽车软件架构向SOA转型的背景下，汽车软件产业链正逐渐被重塑:1 主机厂开始重视软件能力的构建，通过建立软件自研能力、系统架构能力以及SOA架构能力以强化软硬件解耦。目前大部分车企已经完成了软件自研能力补充或升级，建立起了平台型架构体系，车企的传统开发模型也正向面向软件定义汽车的开发模型升级图 1 6:主机厂需构建的“三大能力”图 17：主机厂的开发模型逐步发生改变阶段一建 立 软 件 自 研 能 力主企开始自研软件，打通需求与设计 代码编写、软件架构等能力0 2,阶段二建 立 系 统 架 构 能 力在自研之后，车企逐步建立和完善系统架构能力，实现硬件平台化与可升级职能部门的数字化建 立SOA架 构 能 力车企建立面向服务的软件架构,通过标准化的服务接口，松耦台的服务机制以及可组合扩展的服务特性，结合高性能计算平台，打造汽车 软件驱动”基础能力传统开发区型主机厂只是梁构的定义含，a做系s w r行各系蜕完出所若切俺的软件开发苦系卿R悯从而形成总总贝马，外 幽 殴 者 程介入开发，曾抚法复用，大.软件工作花甑眼施囊的造配上RW W nerl 幽I嫁ttTlerl金 身 泰 统 及 日 自动甲崂噬TH1ftZ)JWETkf1 MftSttTIcrl主机厂功的分地辍集成多元开发便式数据来源：亿欧智库，东方证券研究所数据来源：亿欧智库，东方证券研究所2 软件供应商一跃成为T ie ri供应商。由于汽车软件开发难度提升，传统的汽车零部件供应商研发能力难以满足需求，此时车厂开始绕过传统一级供应商，直接与原有的二级供应商（芯片、软件算法等厂商）合作。在软件定义汽车时代，软件重要性不言而喻，整车厂为了掌握主导权并降低高昂的研发成本，往往会选择直接与具备较强的独立算法研发能力的软件供应商合作，因此这些软件供应商一跃成为了 T ie ri厂商。未来，软件供应商的盈利模式有望发生转变，开发基础平台收许可费 供应功能模块按Royalty收费及定制化的二次开发等方式或成为主流打法。图1 8:汽车软件产业链正逐渐被重塑图1 9:未来软件供应商的盈利模式有望转变数据来源：赛迪顾问，东方证券研究所 数据来源：亿欧智库，东方证券研究所主机厂纷纷布局SOA软件架构的开发，未来几年内或迎来S。A量产的高峰期。当前大部分。EM主机厂仍处于硬件架构升级的阶段，目前仅有特斯拉、大众完成了定制O S内核的开发构建和规模化应用，汽车软硬件解耦也处于发展初期，现阶段主机厂纷纷将底层基础软件（系统软件层）作为发展重点。从长期来看，SOA将重构汽车生态，汽车行业很可能复制PC和智能手机的软件分工模式。车企可通过自建或与供应商合作搭建操作系统和SOA平台，引入大量的算法供应商、生态合作伙伴等形成开发者生态圈，未来车企能够向用户提供全生命周期的软件服务。这一背景下，主机厂纷纷布局SOA软件架构的开发，未来几年有望成为SOA量产的高峰期。表1 ：部分OEM车企SOA软件的量产部署厂商 Log。SOA软件平台进度 量产计划上汽零束软件笈 NE2021年4月，上汽零束SOA软件开发平台正式发布，将实现“T+0+1+7”的迭代速度，也即在新的应用场景可于“T+0”快速上线；新的轻应用可于“T+1”快速上线，新的APP则可在“T+7”时快速上线。并且基于标准化的服务接口，开发过程的参与者将不再局限于整车厂，还将包括第三方应用厂商甚至个人开发者，最终旨在构建类似于智能手机上OS/安卓的开发平台。计划2022 年量产搭载小鹏汽车x小 晒 声 早小鹏已实现EE2.0的双脑域架构中央计算，主干网络已经可以实现以太网+CANFD的数据；小鹏汽车采用混合SOA架构，最终形成了三层交互的整车软件架构形态，其中包含车身功能层、应用层、交互层、车身功能层，提供少部分的服务接口标准，安全有序地管理车身功能的所有服务。应用层要实现整车少部分本地功能，最终通过调用服务接口实现所有本地功能，实现远程终端应用和云端应用。计划2022 年量产搭载威马汽车W E L T M E IS T E R威 马 汽 车威马汽车在威马W 6汽车中应用SOA平台,上线了自定义编程功能，自定义场景超100个，手机端与车机端同步，为满足用户出行场景的个性化需求，威马W 6在复杂的SOA架构里，利用手机端APP“威马智行”首创通俗易懂的自定义场景编程功能（威马快捷）。2021 年已量产合众新能源nnznnY 合 众 新 能 源合众新能源哪吒S计划将基于SOA架构开发整个系统，产品正式上市时间可能在2022年下半年，可能首先搭载在内部代号为EP40的旗舰车型上，续航可达1000公里，采 用“下一代A I控制器”、“下一代智能驾驶控制器”、“基于以太网的SOA架构”等。计划2022 年量产搭载数据来源：佐思汽研，东方证券研究所二、智能汽车软件架枸梳理纵观智能汽车软硬件架构，最底层的是车辆平台以及外围硬件（传感器、V2X、动力及底盘控制等），在其之上的是自动驾驶计算平台，而这也是实现汽车智能化的核心。进一步来看，自动驾驶计算平台可以分为硬件平台和软件两大部分，其中软件层面自下而上分别为：1 系统软件：由硬件抽象层、O S 内核（狭义上的操作系统）和中间件组件构成，是广义操作系统的核心部分；2 功能软件：主要为自动驾驶的核心共性功能模块，包括自动驾驶通用框架、A I和视觉模块、传感器模块等库组件以及相关中间件。系统软件与功能软件构成了广义上的操作系统。3 应用软件：主要包括场景算法和应用，是智能座舱（HMI、应用软件等）以及自动驾驶（感知融合、决策规划、控制执行等）形成差异化的核心。图 2 0:智能汽车软硬件架构概览（-.|.应用软件 I am HF|鞍剧）幽 一 丽 I II ll mmfr 1广义操作系统：功 能 软 件：I-1 系 统 软 件 I_ I 硬件平台;外 围 硬 件II_ I 麓 存；I_IM A P I（中 Wff）（KWSWWia）AMHtStSSi f5BSR KWStf SSStt（AUTOSAR RTE/分砌 信值遑而8!0!将平!1等）JIKSHRR庭：（LiuxA/xWorksTOSW OSSRTOS）HypervsodBSP/DriversZW元/计算单元（ASC/GPU/CPU/FPGA）控 制 单 元MCU想像头、雷达、GPS愦导等传感兼 V2X（云控/地图）动力、底盘控编等工具链I开发&仿真&调试&3等5全体系动驾及车眄物能需求7平3皮处整车集成数据来源：C S D N,东方证券研究所2.1 系统软件：提供基础功能和底层环境支持，是操作系统的核心系统软件是车载操作系统的基础，不仅为上层应用以及功能的实现提供了高效、稳定环境的支持,也是各类应用调度底层硬件资源的“桥梁”，在智能汽车整体软硬件架构中处于核心的位置。通常来说，系统软件由硬件抽象层、OS内核（狭义上的操作系统）和中间件组件三部分构成。2.1.1 硬件抽象层：Hypervisor与 BSP搭建软硬件间的“桥梁”在汽车电子电气系统中，不同的ECU提供不同的服务，同时对底层操作系统的要求也不同。根据 ISO 26262标准，汽车仪表系统与娱乐信息系统属于不同的安全等级，具有不同的处理优先级。汽车仪表系统与动力系统密切相关，要求具有高实时性、高可靠性和强安全性，以QNX操作系统为主；而信息娱乐系统主要为车内人机交互提供控制平台，追求多样化的应用与服务，主要以Linux 禾 口 Android 为主。表 2:主流车载操作系统具有不同的特点及应用场景操作系统简介优势劣势合作主机厂/零部件供应商QNX属于黑莓公司，是全球第一款通过ISO26262 ASIL level D 认证的车载操作系统安全性、稳定性极高，符合车规级要求，可用于仪表盘需要授权费用，只应用在高端车型上通用、克莱斯勒、凯迪拉克、雪佛兰、雷克萨斯、路虎、保时捷 奥迪 大众、别克、丰田、捷豹 宝马、现代、福特、日产、奔驰、哈曼、伟世通、大陆、博世等Linux基于POSIX和 UNIX的多用户 多任务、支持多线程和多CPU的操作系统免费、灵活性、安全性高应用生态不完善，技术支持差丰田、日产、特斯拉等Android谷歌开发的基于Linux架构的系统，属于 类 Linux系统”开源，易于OEM自研，移动终端生态完善安全性、稳定性较差，无法适配仪表盘等安全要求高的部件奥迪、通用 蔚来、小鹏、吉利、比亚迪、博泰、英伟达等WinCE微软发布的32位的多任务嵌入式操作系统，具有多任务抢占、硬实时等特点在当时实时性出色，windows应用开发便利现在开发者和应用已经非常少，即将推出历史舞台福特 Syncl x Sync2 等数据来源：亿欧智库，东方证券研究所在 EE架构趋于集中化后，虚拟化（Hypervisor）技术的出现让“多系统”成为现实。在电子电气系统架构从分布式向域集中式演进的大背景下，各种功能模块都集中到少数几个计算能力强大的域控制器中。此时，不同安全等级的应用需要共用相同的计算平台，传统的物理安全隔离被打破。虚拟化（Hypervisor）技术可以模拟出一个具有完整硬件系统功能、运行在一个完全隔离环境中的计算机系统，此时供应商不再需要设计多个硬件来实现不同的功能需求，而只需要在车载主芯片上进行虚拟化的软件配置，形成多个虚拟机，在每个虚拟机上运行相应的软件即可满足需求。Hypervisor提供了在同一硬件平台上承载异构操作系统的灵活性，同时实现了良好的高可靠性和故障控制机制，以保证关键任务、硬实时应用程序和一般用途、不受信任的应用程序之间的安全隔离，实现了车载计算单元整合与算力共享。图 21:Hypervisor技术可使多系统运行在同一计算平台上虚拟机1虚拟机2虚拟机3虚拟机4 虚拟机5中控娱乐信息系统敬字仪表盘HUDADAST-Box.操作系统1燥作系统2操作系统3操作系统4操作系统5数据来源：CSDN,东方证券研究所整理Hypervisor硬 件（芯 片）在车载虚拟化领域，主流的Hypervisor技术提供商包括BlackBerry QNX Hypervisor（闭源）及 Intel与 Linux基金会主导的ACRN（开源）。目前，只有QNX Hypervisor应用到量产车型，它也是目前市场上唯一被认可功能安全等级达到ASIL D级的虚拟化操作系统。国内厂商也纷纷加入两大主流虚拟机技术生态：2017年，中科创达与诚迈科技入选黑莓VAI计划(该计划将建立一个基于黑莓QNX嵌入式技术和Certicom安全技术的全球专家网络，旨在拓展嵌入式软件市场)，公司可以基于黑莓的嵌入式技术开发集成服务、安全关键型解决方案；东软集团在ACRN项目早期就成为了其会员；2019年，ACRN与润和软件建立战略合作伙伴关系。图 22:QNX Hypervisor 架构MomenticsSystemAnalysis andOptimization数据来源：C S D N,东方证券研究所图 23:ACRN架构数据来源：C S D N,东方证券研究所表 3:车载Hypervisor主要供应商主要品类所属机构发展历程量产情况国内典型合作伙伴QNX HypervisorRIM（Blackberry 母公司）由加拿大QSSL公司开发，2004年被哈曼收购,2010年又被黑莓收购，2021年2 月黑莓正式发布QNXHypervisor 2.2 版本已量产，目前只有QNXHypervisor应用到量产车型，也是唯一被认可功能安全等级达到ASILD级的虚拟化操作系统中科创达 诚迈科技ACRNIntel与 Linux基金会2018年 3 月发布，是一款灵活、开源、轻量级Hypervisor 参考软件，Intel开源技术中心为ACRN项目的发布贡献了源代码尚未量产东软集团、润和软件数据来源：C S D N,东方证券研究所BSP可支持操作系统更好地运行于硬件主板。BSP(Board Support Package)指板级支持包。对于一般的嵌入式系统，硬件部分需要嵌入式硬件工程师设计硬件电路，而新出厂的电路板需要BSP来保证其能稳定工作，在此基础之上才能进行下一步的软件开发。BSP是介于主板硬件和操作系统之间的系统软件之一，主要目的是为了支持操作系统，使之能够更好的运行于硬件主板。BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的BSPo例如VxWorks的BSP和 Linux的 BSP相对于某一 CPU来说尽管实现的功能一样，可是写法和接口定义是完全不同的，所以写BSP一定要按照该系统BSP的定义形式来写，这样才能与上层OS保持正确的接口。由于BSP处于在硬件和操作系统、上层应用程序之间，因此BSP程序员需要对硬件、软件和操作系统都要有一定的了解。图 2 4:嵌入式系统对应的BSP开发内容Bring up数据来源：CSDN,东方证券研究所2.1.2OS 内核：Q NX、Linux、VxWorks 为主流汽车操作系统可分为狭义OS和广义OS,OS内核属于狭义OS。如前文所述，汽车的自动驾驶计算平台分为四个层级，从下到上分别为硬件层、系统软件层、功能软件层、应用软件层。广义OS指系统软件层（包括硬件抽象层、O S内核、中间件组件）与功能软件组成的软件集合，而狭义 OS仅单指OS内核。具体来说，OS内核又称为“底层OS”,提供操作系统最基本的功能，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性，是系统软件层的核心。图 2 5:广义OS与狭义OS开源QNX汽车客户最多 一ISO 26262 ASIL-D收费Linuxi 开发者生态最丰基未通过功能安全免费狭义OS(内核)自动驾驶OSVxWorks汽车客户较少ISO 26262 ASIL-D收费广义os基于QNX小部分QNX提供大部分自研陞度较小风河可提供基于Linux（比如ROS）一 需 自 研 难 度 很 大W aym o,百度、特斯拉、Mobileye等厂商有布局数据来源：九章智驾，东方证券研究所整理当前，狭义OS的内核呈现QNX、Linux和 VxWorks三足鼎立的局势。自动驾驶OS内核的格局较为稳定，主要玩家为QNX（Blackberry）、Linux（开源基金会）、VxWorks（风河）。因打造全新O S需要花费太大的人力、物力，目前基本没有企业会开发全新的O S 内核。当前，无论是W aym o,百度、特斯拉、Mobileye还是一些自动驾驶初创公司、车企，所谓的自研自动驾驶OS,都是指在上述现成内核的基础之上自研中间件和应用软件。图2 6:三大主流自动驾驶OS内核LinuxVxWorksWIND RIVER数据来源：各公司官网，东方证券研究所QNX、Linux和 VxWorks三大内核有以下区别：1 实时性:以是否对需要执行的任务划分优先级为标准，O S内核可分为分时OS(Timesharing OS)和实时OS(Real-time OS)两种。前者对各个用户/作业都是完全公平的，不区分任务的紧急性；而后者指在高优先级的紧急任务需要执行时，能够在某个严格的时间限制内抢占式切换到该任务上。实 时O S还可以分为硬实时和软实时两类：硬实时系统有一个刚性的、不可改变的时间限制，它不允许任何超出时限的错误；而软实时系统的时限是一个柔性灵活的，它可以容忍偶然的超时错误。QNX和VxWorks均属于实时O S,且均属于硬实时OSo最初Linux属于分时O S,但Linux对实时性改进的工作从未停止过。经过优化后，Linux内核也分为抢占式内核和非抢占式内核，其中，抢占式内核的实时性足以满足自动驾驶的需求。因此，实时性大幅改善的RT Linux实际上已经成为硬实时操作系统。图27：实时O S区分任务紧急性 图28：分时OS不区分任务紧急性数据来源：CSDN,东方证券研究所数据来源：CSDN,东方证券研究所2 开放性:QNX是一个半封闭系统，而Linux和VxWorks均是开源系统。所 谓“半封闭”，即QNX的内核，客户是不能改的，但客户可自己编写中间件和应用软件；所谓开源，即所有内核源代码都向客户开放，客户可根据自己的实际需求裁剪，可配置性很高。与Q NX相比，Linux更大的优势在于开源，在各种CPU架构上都可以运行，可适配更多的应用场景，并有更为丰富的软件库可供选择，因此具有很强的定制开发灵活度。VxWorks也是开源的，VxWorks RTOS由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可获所有源代码并根据需要对O S内核在源代码层面进行裁剪和配置。图29：QNX系统架枸图3 内核架构:Q NX与VxWorks是微内核，即内核中只有最基本的调度、内存管理，驱动、文件系统等都是用户态的守护进程去实现的。微内核的优点是稳定、漏洞少，驱动等的错误只会导致相应进程发生B u g,不会导致整个系统都崩溃，同时具有灵活性高、易扩展的特点，可以便捷地在操作系统中增减功能；缺点是频繁的系统调用与信息传递使O S运行效率较低。Linux是宏内核，即除了最基本的进程 线程管理、内存管理外，文件系统，驱动，网络协议等等都在内核里面，其优点是效率高，可以充分发挥硬件的性能；缺点是内核结构复杂，稳定性较差，开发进程中的Bug可能会导致整个系统崩溃，因此基于Linux开发的门槛很高。图30：微内核OS提供完整的内存保护Operating system-QNX Neutrino RTOSAdvanced runtime technologiesAdaptive partitioning Wireless and secure networkingFast boot Multi-coreHigh availabilityPOSIX utilitiesFile systemsHMI technologiesDevice driversNetworkingMessaging layerQNX Neutrino RTOS microkernelMicrokernelAApplicationsFilesystemUser spaceDevice drivers不TCP/IPstack数据来源：CSDN,东方证券研究所数据来源：CSDN,东方证券研究所4 是否付费:QNX凭借其安全性、稳定性和实时性占据汽车嵌入式操作系统市占率第一的位置,但QNX是需要商业收费的。虽然VxWorks和Linux同为开源系统，但区别在于Linux是免费的，而VxWorks是收费的。QNX与VxWorks均需收取高昂的授权费，开发定制成本也很高，这也会在一定程度上阻碍其市场占有率的增长；相较而言，Linux的免费也会对车企有很强的吸引力。综上，车企在选择O S内核时，主要考虑开放性、可扩展性、易用性、安全性、可靠性及成本等因素，再结合自己的需求及能力体系来做权衡。表4:各O S内核比较ONX Linux VxWorks开放性半封闭源代码开放源代码开放是否可裁剪否是是软件生态丰富程度较丰富；商业公司提供，或自己从开源软件移植非常丰富，主要来自开源软件社区在自动驾驶产业影响较小实时性微秒级毫秒级（打开CONFIG_PREEMPT_RT后为微秒级）微秒级功能安全等级ASIL-D无ASIL-D开发工具和使用费用昂贵免费昂贵易用性容易最难比较难数据来源：九章智驾，东方证券研究所可拓展性低中代表用户蔚来、理想、小鹏等特斯拉、Waymox华为、Mobileye 丰田奥迪、现代、Mobileye2.1.3中间件：AUTOSAR标准应用最为广泛中间件位于硬件及操作系统之上，应用软件之下，是汽车软件架构中重要的基础软件。中间件(middleware)是基础软件的一大类，在汽车软件架构中位于硬件、操作系统之上，应用软件的下层，总的作用是为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件，并能在不同的技术之间实现资源共享并管理计算资源和网络通信。图 31：中间件位于基础层及应用层之间硬件机械数据来源：CSDN,东方证券5ff究所软件定义汽车时代下，中间件的作用愈发重要。随 着 E E架构逐渐趋于集中化，汽车软件系统出现了多种操作系统并存的局面，这也导致系统的复杂性和开发成本的剧增。为了提高软件的管理性、移植性、裁剪性和质量，需要定义一套架构(Architecture)、方法学(Methodology)和应用接口(Application Interface),从而实现标准的接口、高质量的无缝集成、高效的开发以及通过新的模型来管理复杂的系统。中间件的核心思想在于“统一标准、分散实现、集中配置”：统一标准才能给各个厂商提供一个通用的开放的平台；分散实现则要求软件系统层次化、模块化，并且降低应用与平台之间的耦合度；由于不同模块来自不同的厂商，它们之间存在复杂的相互联系，要想将其整合成一个完善的系统，必须要求将所有模块的配置信息以统一的格式集中管理起来，集中配置生成系统。有了汽车软件中间件后，所有的软件和应用都具备了标准化接口，同时硬件功能也被抽象成服务，可以随时被上层应用调用；软件开发可以跨配置、跨车型、跨平台、跨硬件适应；软件开发者可以更多地聚焦软件功能的差异化；软件认证可以有标准可依。因此，可以说中间件在汽车软硬件解耦的趋势中发挥了关键的作用。图3 2:中间件对于推动汽车软硬件解耦具有重要作用ProprietaryApplicationSoftwareApplication SoftwareStandardized MiddlewareStandardized BasicSoftwareHardware specificStandardizedMethodologyHardwareHardwareHW-specific(ECUs)数据来源：AUTOSAR官网，东方证券研究所在所有中间件方案中，AUTOSAR是目前应用范围最广的车载电子系统标准规范。AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）指汽车开放架构，是由全球汽车制造商、零部件供应商以及各种研究、服务机构共同参与制定的一种汽车电子系统的合作开发框架，并建立了一个开放的汽车控制器（ECU）标准软件架构，规范了车载操作系统标准与API接口。2003年7月，宝马、博世、大陆、戴姆勒、福特、通用 PSA、丰田、大 众 等9家汽车行业巨头发起了AUTOSAR联盟的建立，这9家公司后来也成为AUTOSAR联盟的核心成员。截至2021年7月，AUTOSAR联盟已经拥有了 300多家合作伙伴，包括全球各大主流整车厂、一级供应商、标准软件供应商、开发工具与服务提供商、半导体供应商、高校以及研究机构等，其中也包括了华为百度、长城、东风、一汽、上汽、吉利、蔚来、拜腾 宁德时代等国内厂商。图33:AUTOSAR联盟拥有300多家合作伙伴（截至2021年7月）图34:AUTOSAR推动着EE架枸演进More Than 300 AUTOSAR PartnersU O BOSCH D A IM L E R I回 TO Y O T A VOLKSWAGEN60 Premium PartnersP a rm B a fin a r G veoneer vo u v o 60 Devetopmen!PartnersABUPKIStt aeg,。Awrtuj C -N -*二.l Q y 一 柒曲 W /.*:.M M C D K*-一 V、D ooa OM O O M H .nets r*tr m RT I L-黑 wft 工29 0 7ntoe/VAI IDAS f j5bli.1 Stialegiu PaitiierDENSO 148Associate Panners 27AttendeesDriving Innovations in E/E ArchitecturesE/E-DrivenInnovationsBackendMechanicslnfotnmentConnectionLinkedNetworts数据来源：AUTOSAR官网，东方证券研究所ZonArchitctur*Architecture数据来源：AUTOSAR官网，东方证券研究所AUTOSAR旨在通过提升OEM以及供应商之间软件模块的可复用性和可互换性来改进对复杂汽车电子电气架构的管理。汽车行业中有众多的整车厂和供应商，每 家OEM会有不同的供应商以及车型，每个供应商也不止向一家OEM供货，此时若尽可能地让相同产品在不同车型可重复利用或是让不同供应商的产品相互兼容，这样就能大幅减少开发成本。为此，AUTOSAR联盟建立了独立于硬件的分层软件架构；为实施应用提供方法论，包括制定无缝的软件架构堆叠流程并将应用软件整合至ECU；制定了各种车辆应用接口规范，作为应用软件整合标准，以便软件在不同汽车平台复用。有了标准化应用软件和底层软件之间的接口，开发者可以专注于功能的开发，而无需顾虑目标硬件平台O图 35:AUTOSAR软件架构旨在提升软件模块的可复用性和可互换性Benefits of a Software FrameworkPlatforma.1.a.2.a.nExchangeabilitybetween suppliers solutionsPlatform：:b.1.b.2.b.n;向Platformf.1.f.2,f.n：Supplier A Chassis Safety,Body/ComfortSupplier B,Chassis,Safety TelematicsSupplier C Body/Comfort,Powertrain,Telematics后Platform：c.1.c.2,c.nExchangeability betweenmanufacturers applications：Platform：!；d.1,d.2,d.nPlatforme.1.e.2.e.nExchangeability betweenvehicle platformsThe AUTOSAR Software Framework promotes software module reuse and exchangeability.数据来源：AUTOSAR官网，东方证券研究所目前，AUTOSAR Classic Platform和 Adaptive Platform两大平台，分别对应传统控制类车辆电子系统与对应自动驾驶的高性能类车载电子系统：1 Classic Platform(CP):Classic Platform是 AUTOSAR针对传统车辆控制嵌入式系统的解决方案，具有严格的实时性和安全性限制。从架构来看，Classic Platform自下而上可大致分为微控制器、基础软件层、运行环境层和应用软件层。Classic平台软件架构实现了汽车软件的层次化与模块化，将硬件依赖和非硬件依赖的软件进行了封装。同时，如果使用工具链进行开发，基础软件可以通过配置参数即可实现功能剪裁、算法逻辑，便于基础软件的开发。此外，接口的标准化便于基础软件与硬件抽象层软件对接，缩短开发周期的同时也为OEM提供了更多的选择空间。图 36:AUTOSAR Classic Platform 架构图 37:AUTOSAR Classic Platform 基础软件层Application LayerRuntime EnvironmentServices LayerComplexECU Abstraction Layer DriversMicrocontroller Abstraction LayerApplication LayerMicrocontroller数据来源：AUTOSAR官网，东方证券研究所数据来源：AUTOSAR官网，东方证券研究所2 Adaptive Platform（AP）:Adaptive Platform 是 AUTOSAR 面向未来自动驾驶、车联网等复杂场景而提出的一种新型汽车电子系统软件架构标准。Adaptive平台修改了大量Classic平台标准的内容，采用了基于POSIX标准的操作系统，以面向对象的思想进行开发，并且可使用所有标准的POSIX A P I,主要目的是为满足当前汽车自动驾驶 电气化和互联互通等趋势的需求。Adaptive Platform自下而上可分为三层：（1 ）硬件层：A P 可将运行的硬件视作Machine,这也意味着硬件可以通过各种管理程序相关技术进行虚拟化，并可实现一致的平台视图；（2）实时运行环境层（ARA）:由功能集群提供的一系列应用接口组成，分为API和 service两种接口类型；（3）应用层：运行在AP上的一系列应用。图 38：AUTOSAR Adaptive Platform 架构User ApplicationsAdaptiveApplicationAdaptiveApplicationAdaptiveApplicationASW:XYZNon-PF ServiceASW:ABCNon-PF ServiceAUTOSAR Runtime for Adaptive Applications(ARA)ara:com ara:restCommunication RESTManagement.ara:tsyncTime Synchronizationara:diagDiagnosticsara:sm serviceStateManagementra:：pr ara：:phmPersistency Ptatfonn HealthManagementara:logLog and Tracera:ucm sarvlcoUpdate and ConfigManagementExecution Management Identity and AccessManagementara:cryptoCryptographyara:nm serviceNetwcxkManagementPOSIX PSE51/C l STLOperating System Interface数据来源：AUTOSAR官网，东方证券研究所Adaptive Platform相较Classic Platform更加适应于当前汽车架构向SOA转型的大趋势。如前文所述，当前汽车架构中同一硬件平台可能集成了多种系统，例如车载信息娱乐相关的ECU通常使用Linux、QNX或其他通用操作系统。尽 管 Classic Platform支 持 AUTOSAR OS（OSEKOS）,而 Adaptive Platform支持虚拟化技术以及多系统并存的架构，只要是POSIX OS都可使用，包括那些达到ASIL-D的操作系统，兼容性广，可移植性高，因此AP相较CP更有优势。此外，C P 主要支持面向信号的架构（Signal-Oriented Architecture）,以基于信号的静态配置的通信 方 式（CAN、LIN）为主，开发后功能升级较为困难；A P 主要支持面向服务的软件架构（SOA）,以基于服务的SOA动态通信方式（SOME/IP）为主，硬件资源间的连接关系虚拟化,不局限于通信线束的连接关系，软件也可实现灵活的在线升级。因此，AP更专注于提供高性能计算和通讯机制，提供了灵活的软件配置方式，更加适用于当前智能汽车领域高速发展的时代。表 5:Classic Pla