eSOL：自适应平台的顶层和底层--服务建模和多内核操作系统

2025年3月19日，在第六届软件定义汽车论坛暨AUTOSAR中国日上，eSOL高级执行副总裁、首席技术官、软件负责人Masaki Gondo谈到，Masaki自AUTOSAR自适应平台首次发布以来，已经过去了七年时间，在此期间，该平台已多次应用于量产部署，更不用说还有无数的概念验证等。然而，由于缺乏对平台架构的理解，使用自适应平台的软件系统设计往往不尽如人意。他作为AUTOSAR 自适应平台规范的架构师之一，介绍了如何充分发挥自适应平台优势的关键方法。接着，将其应用于服务层，引入一种面向软件定义汽车的非汽车领域建模方法。此外，通过将其应用于操作系统层，解释了多内核方法。最后，总结了如何通过在自适应平台的上方和下方结合这两种方法，来最有效地利用自适应平台。

Masaki Gondo提到，eSOL eMCOS多内核操作系统，是世界上首个原生支持同构/异构系统设计（采用SOA架构）的商业实时操作系统。该系统基于多内核设计，或称之为分布式微内核架构，这一架构为IPC（IPC）提供了高性能且可扩展的基础。此外，其独特的分层调度机制不仅确保了硬实时确定性，还实现了在负载均衡下的高吞吐量计算。多内核架构本身具备高级别的FFI（外部功能接口），为系统提供了卓越的安全性和保障性。同时，该系统还支持多进程POSIX和AUTOSAR操作系统的标准API，进一步增强了其通用性和兼容性。

Masaki Gondo | eSOL SEVP/CTO/ 软件负责人

以下为演讲内容整理：

汽车自适应平台架构解析

汽车自适应平台在现代汽车体系中占据关键地位，是整车架构的核心组成部分。从架构布局来看，它处于整车架构的中间位置，如同车载大脑、中央计算单元或域控制器，承担着为软件定义汽车（SDV）应用程序提供主要应用接口的重要职责。在其右侧，是拥有各自软件组件的传统平台，而平台底层则与各种底层系统相连，共同构建起一个完整且协同的汽车架构体系。

图源：eSOL

自适应平台基于面向服务的架构（SOA），这种架构模式的精髓在于将平台功能精细拆分为多个独立的服务，众多服务集合形成应用程序编程接口（API）。API为开发者提供了便捷、高效的开发工具，开发者借助调用API，能够快速开发出满足汽车多样化功能需求的应用程序，实现汽车功能的个性化定制，充分满足不同用户的使用场景和需求。

在软件开发过程中，模型的运用是关键环节。常见的CCM（基于组件的配置管理）、UML（统一建模语言）等工具，为开发者对系统进行抽象和设计提供了有力支持。在现代汽车工业领域，软件的构建紧密依赖于硬件模型，这里的硬件涵盖了机械设备和电子设备。早期汽车仅具备机械设备，随着对控制精度、智能化程度等要求的不断提高，计算机逐渐融入并与硬件相结合，进而形成了硬件定义汽车的概念，而如今软件与硬件的协同发展更为紧密，软件在汽车功能实现中的作用愈发关键。

DVE模型在自适应平台的应用

为实现更科学、高效的自适应平台顶层设计，DVE（驾驶员-车辆-环境）模型应运而生。该模型并非新创，大约20年前由一位日本教授提出，随后在全球范围内得到广泛关注和应用。虽然不同地区的研究人员在具体应用上存在差异，但本质上都采用了类似的模型理念。

DVE模型主要涵盖四个领域：驾驶员、车辆、环境以及Utility。在驾驶员领域，涉及驾驶员的行为模式和心理模型等方面。驾驶员的行为既包括真实驾驶场景中的实际操作，也涵盖个性化设置下的行为表现，而其心理模型则是驾驶和车辆领域的基础，对驾驶员的决策和操作起着关键的影响作用。

图源：eSOL

车辆领域不仅包含车辆的运动数据，如加速、转向等，还涉及对车辆的控制功能。借助这一领域，开发者能够实现对车辆运动服务、内部服务、外部服务以及仪表盘相关服务的开发与优化，有效提升车辆性能和用户体验。 

环境领域聚焦于车辆运行所处的外部环境，包括基础设施、交通服务和大气服务等。基础设施为车辆提供稳定的基础数据支持，交通服务负责处理动态交通信息，大气服务则关注气温等环境因素，这些信息对于车辆的智能决策和安全行驶至关重要。

Utility主要负责软件更新、诊断、配置以及网关环境等功能。通过这一领域，车辆能够实现自我维护和功能升级，确保在不同环境下都能稳定运行。 

从API设计的角度来看，DVE模型强调从顶层向下设计的思路。以摄像头数据为例，传统的API若直接命名为摄像头数据，会导致API与特定硬件紧密绑定，限制了应用程序的通用性。而基于DVE模型，应用程序关注的是对象本身，而非数据的采集方式，因此可以将API命名为移动对象等更通用的名称，实现软件与硬件的解耦，提高软件的可扩展性和复用性。

DVE模型在汽车开发过程中具有重要意义，为实现硬件与软件协同开发提供了有效途径。通过建立模拟模型，将硬件与软件紧密结合，能够在开发过程中充分考虑各种实际情况，提高开发效率和产品质量。

在模拟建模过程中，DVE模型作为核心框架，连接系统的各个部分。系统中的计算机硬件和软件通过DVE模型实现交互，软件基于DVE模型提供的服务进行开发。同时，系统需要驾驶员用户、车辆和环境等外部因素的支持，这些因素共同构成完整的模拟环境。

为实现全级别模拟，平台的服务需要具备标准API。标准API的存在使服务的实现方式更加灵活，无论是硬件实现、算法实现，还是通过虚拟硬件、虚拟机械、虚拟电子设备实现，都能满足API要求。这种灵活性为开发者提供了更多选择，降低了开发难度。 

在实际应用中，高精度的真实世界模拟面临诸多挑战，即使是当前先进的计算机，也难以实时处理所有物理计算。因此，合理混合不同级别的模拟，如不同的模拟粒度和精度，成为提高模拟效果的关键。DVE模型提供的抽象和标准API，为混合不同级别的模拟提供了有力的框架支持，使开发者能够根据实际需求选择合适的模拟方式，提高模拟的效率和准确性。 

此外，DVE模型为应用程序提供了可扩展的API，不仅方便内部开发，也为第三方开发者提供了接入平台的机会。从汽车开发的多个方面来看，DVE模型有助于实现开发流程的优化、代码设计的规范以及代码教育的开展。在软件定义汽车的背景下，DVE模型基于API进行关键度解耦，确保自适应应用程序的安全性，使其符合ASIL B、ASIL D等相关安全标准，保障汽车在复杂环境下可靠运行。

汽车自适应平台底层系统架构与技术发展

汽车自适应平台的底层系统架构是平台稳定运行和性能发挥的基石。其中，IPC操作系统作为底层架构的核心部分，承担着管理应用程序之间通信和资源分配的重要任务。

图源：eSOL

IPC适配器在这一过程中扮演着不可或缺的角色，它限制应用程序不能直接访问底层资源，只能通过特定的接口进行通信。这种限制有效避免了应用程序之间的干扰，从安全角度保障了系统的稳定性。应用程序之间的通信主要通过套接字、消息或管道等方式进行，确保数据可靠传输。

通信管理系统是IPC操作系统的重要组成部分，支持多种网络绑定方式，包括自定义网络绑定。自定义网络绑定通常在操作系统中使用C语言等编程语言实现，为汽车行业的应用提供了高度的灵活性和定制性，能够满足不同汽车功能对通信的特殊需求。

在硬件支持方面，平台对ARM 11 MPCore的支持体现了其对嵌入式系统的深度优化。大约21年前，相关团队与ARM剑桥公司合作，针对这款处理器开展了重要的开发工作。在开发过程中发现，从一个进程的角度增加进程数量看似简单，却会对操作系统产生巨大影响。

为解决这一问题，团队在传统操作系统基础上进行创新，引入分布式锁和分层锁机制。这些锁机制有效减少了操作系统中的锁数量，防止在处理器数量增加时出现资源争用问题，从而提升了系统的性能和稳定性。随着处理器技术的不断发展，如今的处理器愈发先进，不同类型的处理器能够集成在一个系统中。大约在3 - 5年前，特定信息实现成本降低，使得不同的IP元素可以进一步整合，为软件系统设计和通信优化带来了新的机遇。

大约10年前，为应对日益复杂的汽车功能需求和硬件环境变化，团队开始开发一种基于多核架构的新型操作系统。该操作系统主要用于集群管理等关键任务，遵循分层决策机制，旨在解决在保证硬实时处理的同时实现最佳性能的难题。

在调度方面，该操作系统采用混合调度方式，同时进行两种类型的调度，以满足不同任务对时间和性能的要求。此外，它还具有高度的独立性，每个处理单元都作为独立的控制块，彼此之间不共享数据，减少了数据冲突的可能性，提高了系统的可靠性。

以在Linux系统上运行DDS为例，传统情况下，消息传递可能要经过大约15层，这会导致较高的延迟和资源消耗。而借助新型操作系统和芯片的特定能力，通过优化通信流程，减少不必要的簿记环节，并采用微控制器级别的驱动程序，通信层数可以减少到大约5层。这一优化不仅提高了数据传输的吞吐量，还增强了系统的可靠性，显著提升了软件层面的性能。

当前，汽车行业呈现出使用容器和虚拟化技术的趋势，这些技术能够有效减少系统开销，降低功耗并提高资源利用率。我们紧跟这一趋势，在微通道架构中采用手动传递消息的方式实现部分程序，并将这种独特的架构应用到操作系统中。通过尽量减少微控制器间的消息传递，更多地在用户层面进行处理，成功地最大化利用了微控制器的性能，同时获得了最佳的系统性能。

在异构混合方面，团队通过合理设计底层系统架构，实现了不同类型硬件和软件组件的有效协同工作。这种异构混合的方式充分发挥了各种组件的优势，提高了系统的整体性能和功能多样性。 

展望未来，汽车自适应平台相关技术，如DVE模型和底层操作系统，走向开放和标准化是大势所趋。只有通过行业内各方的共同努力，推动技术的开放和共享，才能促进整个汽车行业的健康发展，为未来汽车智能化、数字化变革奠定坚实的基础，助力汽车行业在技术创新的道路上不断前行，为用户带来更智能、更安全、更便捷的出行体验。

（以上内容来自eSOL高级执行副总裁、首席技术官、软件负责人Masaki Gondo于2025年3月18-19日在第六届软件定义汽车论坛暨AUTOSAR中国日发表的《自适应平台的顶层和底层--服务建模和多内核操作系统》主题演讲。）