什么是汽車基礎軟件

基礎軟件（Basic Software）似乎是汽車行業(yè)獨有的一個軟件分類，有時候也叫底層軟件（Low Level Software）或者底層技術（Base Tech）。汽車行業(yè)分工細致，上下游產業(yè)鏈豐富，很多并非從事基礎軟件相關工作的汽車工程師對汽車基礎軟件并不是很了解。本文嘗試針對初學者作簡單的介紹和探討，基礎軟件大佬請自動略過或批評指正。

那究竟什么是汽車基礎軟件呢？這是很多初接觸者經常會問的問題。如果以傳統(tǒng)計算機行業(yè)術語類比，基礎軟件應該最接近于計算機中的驅動軟件。抽象來看，兩者都是硬件或操作系統(tǒng)和應用軟件之間的橋梁。舉個類比的例子，我們平時電腦上用Word打印文件是一個很簡單的操作。

電腦連接一個新的打印機時，我們往往要安裝一個新的打印機驅動程序，但是Word軟件本身并不需要更改或重新安裝。這里的打印機就像是汽車行業(yè)中眾多的硬件，Word軟件就像是汽車行業(yè)中豐富的應用軟件（Application Software, ASW），而這里的打印機驅動軟件就最像是汽車行業(yè)中的基礎軟件，解耦軟硬件，讓應用軟件可以適配不同的硬件。

圖1：打印機驅動軟件（類似汽車行業(yè)基礎軟件）示意圖

而如果要進一步深究基礎軟件的精確定義，那只能搬出汽車基礎軟件屆大佬組織AUTOSAR中的定義描述： ——“The Basic Software (BSW) provides the infrastructural (schematic dependent and schematic independent) functionalities of an“Electronic Control Unit.” 這個定義似乎也比較抽象和泛化，但這也許正是基礎軟件的外延。因為在汽車行業(yè)，似乎除了功能應用軟件，其他軟件部分在不同場景下都可以稱為基礎軟件。有些時候基礎軟件也延伸為基礎技術或者平臺服務等名字，這時候其往往還包含了一部分傳統(tǒng)意義上的應用軟件模塊。

因為“基礎”這個定義本身就是相對的，在不同語境下有不同的內涵。就像很多產業(yè)工人會自稱基層，很多高級工程師也自稱基層，很多高級經理也自稱基層。以下圖經典AUTOSAR架構為例，狹義的基礎軟件就是硬件和運行時環(huán)境（RTE）之間的這部分軟件，但在某些討論背景下，例如討論OTA升級功能時，基礎軟件和基礎技術的外延往往會延伸到包括RTE和部分應用軟件（對應AUTOSAR中的SWC）。

圖2：狹義和廣義基礎軟件示意圖

為什么要做汽車基礎軟件

基礎軟件往往是從demo走向量產的關鍵難題，也往往是OEM從企業(yè)或者整車層面定義得最多最詳盡最復雜的需求。傳統(tǒng)外資OEM像大眾、寶馬、福特、通用等公司都會定義詳細的基礎軟件需求，往往高達上百篇文檔，上十萬條需求。

基于這些詳細的基礎軟件需求，留給Tier1的空間其實很小，有點像OEM已經把整個設計圖紙都定義好了，就是讓Tier1“代工”把基礎軟件實現(xiàn)出來。這背后也是這類強勢OEM的一種戰(zhàn)略要求：掌握汽車軟件的核心技術能力，讓車上所有控制器及其軟件都按自己的要求標準化、平臺化，方便統(tǒng)一調度，也方便切換不同的供應商，進一步加固自己在行業(yè)的核心地位。

汽車上的軟件越來越多，而這并不僅僅是多了幾百萬行代碼那么簡單。這背后實際上是要求汽車具備更豐富而完善的軟件基礎設施（infrastructure），涵蓋從開發(fā)到部署到維護的整個過程。將基礎軟件獨立地分離出來一個類別，并集中精力地設計開發(fā)，可以帶來以下明顯的好處：

1.軟硬件解耦

這是基礎軟件最突出的使命和優(yōu)勢。就如開頭舉的Word軟件和打印機的例子，用戶需求肯定包括Word軟件要適配不同的打印機硬件，而有了驅動程序后，Word應用軟件就可以和打印機硬件解耦。設計Word軟件的工程師可以專注于應用軟件本身，打印機廠家也可以專注于打印機本身的設計，專注各自領域并把事情做好。這對汽車上數(shù)百個軟硬件復合的用戶功能來說也是一樣。在“缺芯”時代，正是由于基礎軟件的存在，才讓那么多汽車廠家可以有效地找尋替代料，切換芯片供應商，保障供應。

2.提高魯棒性

“穩(wěn)定”、“安全”、“可靠”等特性對于汽車行業(yè)來說都具有特殊的意義，對汽車軟件尤甚。汽車畢竟事關駕駛員和乘客的生命安全，而且往往會行駛十幾年，攀山涉水，環(huán)境變量復雜。通過細分基礎軟件，可以讓各個開發(fā)方專注領域內的設計開發(fā)，完善各自領域內的軟件開發(fā)規(guī)范和流程，保障軟件質量。同時，標準化的模塊和接口以及其標準化的屬性，都可以讓產品在頂層設計時就充分考慮到軟件的可靠性。

3.提高復用性

汽車基礎軟件的獨立，實質上是帶著“高內聚”和“低耦合”的面向對象的思想。標準化的模塊和接口可以給基礎軟件帶來很強的復用性。基于這個優(yōu)勢，對成熟的基礎軟件模塊，供應商都是提供相應的配置開發(fā)工具，由汽車軟件工程師按照不同項目配置不同參數(shù)，再由工具自動生成源碼。所以汽車基礎軟件往往是第一次實現(xiàn)的時候需要很多人力物力，例如某新勢力供應商第一次獲得傳統(tǒng)OEM的項目定點時。但是該供應商如果再做該OEM的后續(xù)項目時，哪怕是開發(fā)全新的應用功能，也可以很輕松地復用之前項目的大部分基礎軟件代碼。

但是汽車基礎軟件也有其面臨的挑戰(zhàn)，一個是上文提到的第一次實現(xiàn)時需要大量人力物力投入，另一個是分層思想和軟硬件解耦帶來的效率損失。 前者的一個現(xiàn)實體現(xiàn)就是很多汽車新勢力公司都不愿意投入巨量資源到基礎軟件的開發(fā)中，相比之下快速交付產品更為重要。后者則更多是產品設計理念的取舍。

例如按網絡披露的消息，特斯拉在自研FSD芯片的基礎上，就采用了很多軟硬件一體化的設計思想，并沒有過多地開發(fā)層次化、標準化的基礎軟件，以提高硬件利用率和減少軟件時延。這種選擇，在我看來就有點像選用瑞士軍刀還是選用完備的刀具套裝：各有利弊，得根據(jù)具體情況選擇，沒有必然結論。按行業(yè)觀察，基礎軟件對于新勢力來說很多時候是一種“技術羈絆”，而對很多傳統(tǒng)汽車豪強來說則是他們的“技術積累”。

圖3：獨立的基礎軟件和軟硬件一體化類比例子

怎么做汽車基礎軟件

既然汽車基礎軟件事實上大量存在于汽車行業(yè)的軟件開發(fā)項目中，那么實際上大家都是怎么開發(fā)的呢？ 談到怎么實施的問題，就不得不提到AUTOSAR（Automotive Open System Architecture），它定義的主要范圍就是基礎軟件。AUTOSAR匯聚了眾多汽車行業(yè)頂尖軟件大牛的智慧，是基于行業(yè)最佳實踐而總結提煉的精華，并且應用了大量層次結構和面向對象的思想理念，也是汽車行業(yè)基礎軟件的事實標準。它在行業(yè)內的統(tǒng)治地位，通過下圖所示的組織成員就可見一斑。

圖4：AUTOSAR組織成員

目前AUTOSAR分為Classic Platform AUTOSAR（CP）和Adaptive Platform AUTOSAR（AP）兩個平臺。CP是面向功能的FOA架構（Function-Oriented Architecture），目前廣泛應用于傳統(tǒng)嵌入式處理器中，如發(fā)動機控制器、電機控制器、ADAS域控制器中的MCU等。而AP則是面向服務的SOA架構（Servic-Oriented Architecture），應用于針對高計算能力、高帶寬通信、分布式部署的智能駕駛域控制器和座艙控制器的SOC上。

下圖是AUTOSAR通信協(xié)議棧的示意圖。接下來我們以它為例子，看一下通信的具體實施。我們先從上往下看一下信號從應用層軟件產生到發(fā)送到物理總線的過程。信號由應用層軟件創(chuàng)建后，通過RTE發(fā)送至COM模塊，它下面的軟件不能區(qū)分信號，只能理解PDU。因此COM將信號打包成PDU，進一步傳輸給PDU Router。PDU Router按照不同的傳輸協(xié)議將其傳輸給下游。如果PDU長度過大，則會先傳給CAN TP或者FlexRay TP，將一條長的PDU分割成若干條滿足協(xié)議要求的PDU。以CAN為例，CAN TP分割完PDU后會將其傳給CAN Interface（CAN If）模塊。CAN If是ECU抽象層中的一個模塊，它負責傳輸請求、傳輸確認和PDU模式控制等服務。

CAN If往上的軟件和接口都是對具體的CAN收發(fā)器硬件不感知的。然后CAN If會調用底層的CAN Driver模塊，以控制和訪問實際的CAN收發(fā)器硬件。CAN Driver為它上層的軟件提供了硬件訪問接口，亦即硬件抽象。FlexRay和LIN的數(shù)據(jù)下行也是同理。而當數(shù)據(jù)從物理總線接收再反饋到應用軟件則是同理的逆向過程。

圖5：AUTOSAR通信協(xié)議棧示意圖

這個通信分層的架構，可以讓各層軟件各司其職，讓應用層等軟件屏蔽底層軟硬件實現(xiàn)。例如不管是CAN、FlexRay、LIN還是以太網傳輸上來的PDU，都會匯總到PDU Router，再到COM，統(tǒng)一管理內存，這樣應用層軟件獲取信號就可以只關注其端口號，而無需考慮它究竟從哪類總線傳上來的，因為這對應用軟件來說也沒有意義。 而在實際操作層面，AUTOSAR基礎軟件標準化帶來了高度的可復用性，成熟的工具鏈也往往可以讓汽車軟件工程師不用埋頭寫基礎代碼，而是通過配置來高效地生成可靠的軟件代碼。通過AUTOSAR的標準接口文件（*.arxml）可以很方便地在不同工具之間交互配置數(shù)據(jù)。

以下圖的Vector工具鏈為例，OEM可以通過PREEvision設計整車EE架構，定義通信數(shù)據(jù)等，然后導出基于ECU抽象的*.arxml文件提供給供應商。通過DaVinci Developer等工具可以導出應用層SWC的*.arxml文件。基于模型的應用層軟件工具（例如Matlab）可以利用該應用層接口文件生成滿足AUTOSAR標準的應用層源碼（*.c和*.h文件）。

而基礎軟件部分則可以通過導入ECU抽象的*.arxml文件和ODX診斷數(shù)據(jù)庫等文件，在DaVinci Configurator中進行詳細配置，生成RTE和各個BSW模塊的源碼（*.c和*.h文件）。基礎軟件、RTE和應用軟件的源碼合在同一個工程項目中后，就可以通過編譯器生成可以刷寫到ECU上的可執(zhí)行代碼（如*.hex或*.elf）。這個高效配置的工作流，既可以讓開發(fā)者專注關鍵功能設計，又能保障生成的源碼質量，是汽車基礎軟件優(yōu)勢的一個實踐體現(xiàn)。

圖6：Vector的AUTOSAR基礎軟件配置工作流示意圖

產業(yè)規(guī)模以及有哪些玩家

2022年中國軟件行業(yè)協(xié)會發(fā)布了《2022中國汽車軟件產業(yè)發(fā)展白皮書（框架）》（以下簡稱《白皮書》）。《白皮書》顯示，2023年全球汽車軟件市場規(guī)模將超275億美元，軟件和服務能力成為未來汽車產業(yè)最重要的競爭力。具體到中國汽車軟件行業(yè)，預計2023年會增長至351億元。按麥肯錫的報告預測，到2030年，全球汽車軟件及電子的市場規(guī)模會到4680億美元，亦即從2019到2030年保持5.6%的年均增長率。汽車行業(yè)軟件，尤其是基礎軟件部分，可以說是體量巨大，未來可期。

傳統(tǒng)的汽車行業(yè)基礎軟件供應商都是Tier2，也就是說Tier1會購買Tier2的基礎軟件包，再加上自己的應用軟件和硬件，打包成一個較為完備的產品后再供貨給OEM。

但隨著軟件和硬件趨于解耦和分層，軟件成為獨立的核心組件產品，汽車軟件產業(yè)鏈被重新塑造。Tier1和Tier2之間的界限因此變得越來越模糊，甚至很多OEM也會開發(fā)自己的硬件和軟件。汽車基礎軟件供應商正在從Tier2轉變?yōu)門ier1甚至是Tier0.5供應商，在產業(yè)鏈中的地位越來越高。除了芯片和硬件之外，基礎軟件是整個產業(yè)鏈中最基本的底層能力。各大供應商加倍重視操作系統(tǒng)、中間件等汽車基礎軟件產品的開發(fā)和創(chuàng)新。

當然關于汽車基礎軟件的市場規(guī)模和前景早已被投資界和產業(yè)界所洞察。除了Vector、ETAS、EB等國外大型供應商外，普華基礎軟件、東軟睿馳、中科創(chuàng)達、經緯恒潤等相當多的本土軟件供應商也在努力部署汽車基礎軟件產品，尤其是中間件產品。其中大部分是符合AUTOSAR標準的產品，以及基于CP和AP架構的混合平臺軟件解決方案，相信百花齊放的良性競爭能為實現(xiàn)汽車智能互聯(lián)的落地增添力量。

以上就是關于汽車行業(yè)基礎軟件的簡介和粗淺見解，希望能讓初學者或之前不太了解的同仁有一個大致的印象和理解，在下一次工作討論時能夠更加從容淡定。而對基礎軟件感興趣的同學可以基于AUTOSAR按圖索驥，進一步深入學習。同時也歡迎各位指正和交流。







審核編輯：劉清