满足汽车远程信息处理需求的汽车级Linux操作系统
日期：2008-9-24 19:36:53 来源：中国自动化网
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与生俱来的稳定性、功率节省以及能够根据需要装载设备驱动程序等技术优点让Linux非常适合于远程信息处理和驾驶者界面应用。
对下一代远程信息处理设备的设计工程师来说，嵌入式Linux在商业和技术上的优势非常有吸引力。直到最近，嵌入式Linux技术仍缺乏远程信息处理市场所需的确定性、启动时间性能和电源管理能力。但如今，汽车级Linux则是未来汽车电子所必需的。
图1 开放源代码的汽车级Linux是未来汽车电子所必需的
远程信息处理是一个涵盖性术语，代表数量众多的汽车和驾驶者信息系统和服务。自动紧急呼叫和位置标示是其中的关键部分，但紧接其后的是远程汽车安全和跟踪系统、路线导航、实时交通信息、专用移动消息以及管家服务，包括自动预定宾馆和饭店、预定车位和支付车位费用等。在不久的将来，驾驶者有望能够点播音视频下载(类似于用个人电脑和手机进行下载)。此外，汽车制造商对远程诊断和维修服务越来越有兴趣，以便提高汽车的可靠性和最低盈利。
当前，远程信息服务通过一个专用的车内硬件(通常被称为“黑匣子”)进行操作。这个黑匣子通常包括一个具有硬连线天线的全球定位系统(GPS)接收器、一个中央微处理器和一个连接主流外部蜂窝网络基础设施的通信板。
目前，许多技术正发展成需要采用下一代GPS接收器和通信板，以支持卫星定位(欧洲将在2009年拥有自己的卫星网络)和电信方面(升级到3G，这种蜂窝网络正在建立当中，而且802.11“Wi-Fi”和卫星通信也正被广泛采用)的最新发展。所有这些进步都意味着在当前模式下，改变或者升级整个黑盒子将很常见。
本地市场的偏爱问题变得越来越重要了，因为北美的驾驶者已经开始定购国家卫星无线电广播系统，而欧洲的驾驶者则喜欢数字音频广播(DAB)系统。这两个广播系统尽管具有完全不同的特性，但都需要与构成远程信息处理系统主要接口的驾驶者信息系统的其它部分进行集成。
这种变化需要很高的成本，因此将各种元件嵌入到核心汽车电子架构的普遍趋势被认为是非常有效的解决方案，因为单个元件可能很快被取代，而一组元件则不会。
复杂性需求
这些区域性需求和远程信息服务的快速发展给系统设计者和系统集成者带来了沉重负担，相当重要的原因是车内硬件系统的单一来源几乎是未知的。一个典型的情形是美洲豹Jaguar的驾驶者信息系统，该系统结合了三菱公司的触摸屏与摩托罗拉公司的免提电话系统、Clarion公司的导航系统、Visteon公司的语音启动以及Harman-Kardon公司的音频系统等。因此，系统设计者将这些独立的产品逐个模块地集成在一起。只要这种复杂系统继续作为高端汽车的配置，这种开发方法就是可以接受的，因为高端汽车的开发预算大，要求构建模块数量少，所以可允许采用这种开发方法。
然而，随着远程信息处理技术逐渐在利润较低、产量更高的汽车中得到应用，当设计工程师能够利用普通的硬件和软件平台加速集成并创建快速配置的架构时，分水岭就出现了。未来的车内系统将依赖这么一个平台：在这个平台上，来自最合适渠道的硬件和软件，能以最小的开发成本为购买它们的驾驶者带来最大好处。
除了规模经济的基本商业逻辑和这些平台的灵活设计性之外，它们还增加了严格的安全性规范要求。这种使用底层平台的方法，可实现快速测试周期和对重复使用很关键的模块化构建块。逻辑上说，在所有层次上使用公共操作平台(硬件和基础软件的组合)的应用将最为有效。
全球最大的汽车电子组件供应商Delphi公司几年之前曾声明支持一种公共的开放计算平台，这是该公司2000年后的又一次声明。在2000年的那次声明中，他们宣称与瑞典电信公司爱立信联合开发一系列他们称之为的“即插即用”的远程信息处理和驾驶者信息服务。那时Delphi在媒体咨询会上公布的商业模式，代表了汽车远程信息处理和多媒体系统的特殊系统需求。这种模块化系统基于一种开放平台，并要求选用和组合的硬件来自这些元件列表：微处理器和相关IC(200至500MIPS)、存储器(128MB SDRAM和128MB闪存)、电磁兼容性(EMC)、算法处理功能、显示功能(从Q-VGA 到VGA+)、计算机产生的图形、针对CD-ROM和DVD的ATAPI、MPEG接口，以及关电模式I2C、 I2S、RS-232、IrDA、CAN、J1708、MML、PCMCIA、PCI、USB、AC97、SPI等。
增加到这个列表中的软件功能包括Java兼容性、兼容POSIX的实时操作系统(RTOS)、导航、语音处理、视频处理以及具有车内数据总线的通信。为确保汽车系统的功能并优化功耗和散热，每个模块的电源都可在软件控制下打开或关断。另外，系统被设计成能够充分升级以提供所需的确定性级别，这样不需要定制核心平台，便可根据不同范围或者不同模块提供各种特性级别。
开放源代码
由于可更好地适应电子市场发展步伐所需的创新周期和需求，所以开放源代码软件是汽车制造商自然而然的选择。可升级架构的关键特性和快速的技术转移为广泛采用Linux作为操作系统平台创造了机遇。
Linux能提供构建开放源代码和可升级车内架构的必要基础。作为一种操作系统，Linux固有的稳定性将支持所有开发。向基于过程的开发方法转移要求Linux平台具有更多优点，它必须能满足驾驶者所期望的复位快速启动和对来自CAN、串行或者MOST总线的车内信息的快速响应。由于其独特的处理模式，Linux能处理局部故障而不会导致大规模的系统崩溃，并且能从这些故障中恢复。Linux还具有广泛的可用性，因此在开发来自外部需求的兼容性硬件和软件时不会有任何障碍，这意味着与其它开发模式相比，它的系统集成和成本控制是可预测的。Linux使受人欢迎的开放标准操作系统成为可能，在这些操作系统中最著名的是POSIX和由IEEE开发的便携式操作系统接口，后者目前以第二级形式的IEEE Std 1003.1 2004 版发布。
稳定性是Linux的关键优点，这种稳定性根植于其内核架构中。在Linux操作系统中，不同的应用程序相互隔离，并与核心Linux内核隔离。这种隔离处理可确保系统任务不会被普通用户破坏，并由正常运行在Linux操作系统上的硬件进行执行。这种硬件，特别是存储器管理单元(MMU)，目前在很多嵌入式处理器中都具有，并且可提供内核可驻留的虚拟地址范围。这个虚拟地址范围被映射到物理存储器，MMU对虚拟地址范围进行监控以确保正确地对这个地址进行存取访问。当访问地址超出这个范围时，MMU将发送一个异常信息给操作系统并对之进行处理，以防止用户代码破坏物理存储器的其它区域。Linux操作系统还利用MMU分割每个用户处理。事实上，利用用户可以使用的服务甚至可以提供一个分割的设备驱动程序，以便很容易地在运行当中进行升级，并使关键设备驱动程序不会破坏其它系统和应用服务。这意味着系统任务与用户任务是隔离的，前者不会受后者影响。它们甚至有可能配置成可自我修复和自动重启。汽车驾驶者希望系统具有一致的稳定性，开放源代码的硬件和软件则为实现这种服务级别提供了最大可能性。
Linux内核比一般RTOS内核大很多，通常需要占用600KB~1.2MB存储空间，但是在这个范围内，可以定制Linux来提供多种服务与功能，从而成为远程信息处理应用的优秀选择。Linux的模块化架构组合了BusyBox(一种嵌入式应用工具包，它在一个可执行程序里包含许多标准Unix工具)等特定嵌入式工具，可保证得到“最适合”的功能，并同时确保系统的微管理成本仍是可管理的。假如不同尺寸类别的汽车希望具有不同级别的原始设备和更新硬件，那么这种核心灵活性对汽车制造商是很必要的。
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对下一代远程信息处理设备的设计工程师来说，嵌入式Linux在商业和技术上的优势非常有吸引力。直到最近，嵌入式Linux技术仍缺乏远程信息处理市场所需的确定性、启动时间性能和电源管理能力。但如今，汽车级Linux则是未来汽车电子所必需的。
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远程信息处理是一个涵盖性术语，代表数量众多的汽车和驾驶者信息系统和服务。自动紧急呼叫和位置标示是其中的关键部分，但紧接其后的是远程汽车安全和跟踪系统、路线导航、实时交通信息、专用移动消息以及管家服务，包括自动预定宾馆和饭店、预定车位和支付车位费用等。在不久的将来，驾驶者有望能够点播音视频下载(类似于用个人电脑和手机进行下载)。此外，汽车制造商对远程诊断和维修服务越来越有兴趣，以便提高汽车的可靠性和最低盈利。
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当前，远程信息服务通过一个专用的车内硬件(通常被称为“黑匣子”)进行操作。这个黑匣子通常包括一个具有硬连线天线的全球定位系统(GPS)接收器、一个中央微处理器和一个连接主流外部蜂窝网络基础设施的通信板。
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目前，许多技术正发展成需要采用下一代GPS接收器和通信板，以支持卫星定位(欧洲将在2009年拥有自己的卫星网络)和电信方面(升级到3G，这种蜂窝网络正在建立当中，而且802.11“Wi-Fi”和卫星通信也正被广泛采用)的最新发展。所有这些进步都意味着在当前模式下，改变或者升级整个黑盒子将很常见。
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本地市场的偏爱问题变得越来越重要了，因为北美的驾驶者已经开始定购国家卫星无线电广播系统，而欧洲的驾驶者则喜欢数字音频广播(DAB)系统。这两个广播系统尽管具有完全不同的特性，但都需要与构成远程信息处理系统主要接口的驾驶者信息系统的其它部分进行集成。
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这种变化需要很高的成本，因此将各种元件嵌入到核心汽车电子架构的普遍趋势被认为是非常有效的解决方案，因为单个元件可能很快被取代，而一组元件则不会。
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复杂性需求
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这些区域性需求和远程信息服务的快速发展给系统设计者和系统集成者带来了沉重负担，相当重要的原因是车内硬件系统的单一来源几乎是未知的。一个典型的情形是美洲豹Jaguar的驾驶者信息系统，该系统结合了三菱公司的触摸屏与摩托罗拉公司的免提电话系统、Clarion公司的导航系统、Visteon公司的语音启动以及Harman-Kardon公司的音频系统等。因此，系统设计者将这些独立的产品逐个模块地集成在一起。只要这种复杂系统继续作为高端汽车的配置，这种开发方法就是可以接受的，因为高端汽车的开发预算大，要求构建模块数量少，所以可允许采用这种开发方法。
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然而，随着远程信息处理技术逐渐在利润较低、产量更高的汽车中得到应用，当设计工程师能够利用普通的硬件和软件平台加速集成并创建快速配置的架构时，分水岭就出现了。未来的车内系统将依赖这么一个平台：在这个平台上，来自最合适渠道的硬件和软件，能以最小的开发成本为购买它们的驾驶者带来最大好处。
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除了规模经济的基本商业逻辑和这些平台的灵活设计性之外，它们还增加了严格的安全性规范要求。这种使用底层平台的方法，可实现快速测试周期和对重复使用很关键的模块化构建块。逻辑上说，在所有层次上使用公共操作平台(硬件和基础软件的组合)的应用将最为有效。
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全球最大的汽车电子组件供应商Delphi公司几年之前曾声明支持一种公共的开放计算平台，这是该公司2000年后的又一次声明。在2000年的那次声明中，他们宣称与瑞典电信公司爱立信联合开发一系列他们称之为的“即插即用”的远程信息处理和驾驶者信息服务。那时Delphi在媒体咨询会上公布的商业模式，代表了汽车远程信息处理和多媒体系统的特殊系统需求。这种模块化系统基于一种开放平台，并要求选用和组合的硬件来自这些元件列表：微处理器和相关IC(200至500MIPS)、存储器(128MB SDRAM和128MB闪存)、电磁兼容性(EMC)、算法处理功能、显示功能(从Q-VGA 到VGA+)、计算机产生的图形、针对CD-ROM和DVD的ATAPI、MPEG接口，以及关电模式I2C、 I2S、RS-232、IrDA、CAN、J1708、MML、PCMCIA、PCI、USB、AC97、SPI等。
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增加到这个列表中的软件功能包括Java兼容性、兼容POSIX的实时操作系统(RTOS)、导航、语音处理、视频处理以及具有车内数据总线的通信。为确保汽车系统的功能并优化功耗和散热，每个模块的电源都可在软件控制下打开或关断。另外，系统被设计成能够充分升级以提供所需的确定性级别，这样不需要定制核心平台，便可根据不同范围或者不同模块提供各种特性级别。
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开放源代码
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Linux能提供构建开放源代码和可升级车内架构的必要基础。作为一种操作系统，Linux固有的稳定性将支持所有开发。向基于过程的开发方法转移要求Linux平台具有更多优点，它必须能满足驾驶者所期望的复位快速启动和对来自CAN、串行或者MOST总线的车内信息的快速响应。由于其独特的处理模式，Linux能处理局部故障而不会导致大规模的系统崩溃，并且能从这些故障中恢复。Linux还具有广泛的可用性，因此在开发来自外部需求的兼容性硬件和软件时不会有任何障碍，这意味着与其它开发模式相比，它的系统集成和成本控制是可预测的。Linux使受人欢迎的开放标准操作系统成为可能，在这些操作系统中最著名的是POSIX和由IEEE开发的便携式操作系统接口，后者目前以第二级形式的IEEE Std 1003.1 2004 版发布。
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稳定性是Linux的关键优点，这种稳定性根植于其内核架构中。在Linux操作系统中，不同的应用程序相互隔离，并与核心Linux内核隔离。这种隔离处理可确保系统任务不会被普通用户破坏，并由正常运行在Linux操作系统上的硬件进行执行。这种硬件，特别是存储器管理单元(MMU)，目前在很多嵌入式处理器中都具有，并且可提供内核可驻留的虚拟地址范围。这个虚拟地址范围被映射到物理存储器，MMU对虚拟地址范围进行监控以确保正确地对这个地址进行存取访问。当访问地址超出这个范围时，MMU将发送一个异常信息给操作系统并对之进行处理，以防止用户代码破坏物理存储器的其它区域。Linux操作系统还利用MMU分割每个用户处理。事实上，利用用户可以使用的服务甚至可以提供一个分割的设备驱动程序，以便很容易地在运行当中进行升级，并使关键设备驱动程序不会破坏其它系统和应用服务。这意味着系统任务与用户任务是隔离的，前者不会受后者影响。它们甚至有可能配置成可自我修复和自动重启。汽车驾驶者希望系统具有一致的稳定性，开放源代码的硬件和软件则为实现这种服务级别提供了最大可能性。
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Linux内核比一般RTOS内核大很多，通常需要占用600KB~1.2MB存储空间，但是在这个范围内，可以定制Linux来提供多种服务与功能，从而成为远程信息处理应用的优秀选择。Linux的模块化架构组合了BusyBox(一种嵌入式应用工具包，它在一个可执行程序里包含许多标准Unix工具)等特定嵌入式工具，可保证得到“最适合”的功能，并同时确保系统的微管理成本仍是可管理的。假如不同尺寸类别的汽车希望具有不同级别的原始设备和更新硬件，那么这种核心灵活性对汽车制造商是很必要的。
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