引言：與生俱來的穩定性、功率節省以及能夠根據需要裝載設備驅動程序等技術優點讓Linux非常適合於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說，嵌入式Linux在商業和技術上的優勢非常有吸引力。直到最近，嵌入式Linux技術仍缺乏遠程信息處理市場所需的確定性、啟動時間性能和電源管理能力。但如今，汽車級Linux則是未來汽車電子所必需的。
開放源代碼的汽車級Linux是未來汽車電子所必需的。
遠程信息處理是一個涵蓋性術語，代表數量眾多的汽車和駕駛者信息系統和服務。自動緊急呼叫和位置標示是其中的關鍵部分，但緊接其後的是遠程汽車安全和跟蹤系統、路線導航、實時交通信息、專用移動消息以及管家服務，包括自動預定賓館和飯店、預定車位和支付車位費用等。在不久的將來，駕駛者有望能夠點播音視頻下載(類似於用個人電腦和手機進行下載)。此外，汽車制造商對遠程診斷和維修服務越來越有興趣，以便提高汽車的可靠性和最低盈利。
當前，遠程信息服務通過一個專用的車內硬件(通常被稱為“黑匣子”)進行操作。這個黑匣子通常包括一個具有硬連線天線的全球定位系統(GPS)接收器、一個中央微處理器和一個連接主流外部蜂窩網絡基礎設施的通信板。
目前，許多技術正發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絡)和電信方面(升級到3G，這種蜂窩網絡正在建立當中，而且802.11“Wi-Fi”和衛星通信也正被廣泛采用)的最新發展。所有這些進步都意味著在當前模式下，改變或者升級整個黑盒子將很常見。
本地市場的偏愛問題變得越來越重要了，因為北美的駕駛者已經開始定購國家衛星無線電廣播系統，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，因為單個元件可能很快被取代，而一組元件則不會。
復雜性需求
這些區域性需求和遠程信息服務的快速發展給系統設計者和系統集成者帶來了沉重負擔，相當重要的原因是車內硬件系統的單一來源幾乎是未知的。一個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系統、Clarion公司的導航系統、Visteon公司的語音啟動以及Harman-Kardon公司的音頻系統等。因此，系統設計者將這些獨立的產品逐個模塊地集成在一起。只要這種復雜系統繼續作為高端汽車的配置，這種開發方法就是可以接受的，因為高端汽車的開發預算大，要求構建模塊數量少，所以可允許采用這種開發方法。
然而，隨著遠程信息處理技術逐漸在利潤較低、產量更高的汽車中得到應用，當設計工程師能夠利用普通的硬件和軟件平台加速集成並創建快速配置的架構時，分水嶺就出現了。未來的車內系統將依賴這麼一個平台：在這個平台上，來自最合適渠道的硬件和軟件，能以最小的開發成本為購買它們的駕駛者帶來最大好處。
除了規模經濟的基本商業邏輯和這些平台的靈活設計性之外，它們還增加了嚴格的安全性規范要求。這種使用底層平台的方法，可實現快速測試周期和對重復使用很關鍵的模塊化構建塊。邏輯上說，在所有層次上使用公共操作平台(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放計算平台，這是該公司2000年後的又一次聲明。在2000年的那次聲明中，他們宣稱與瑞典電信公司愛立信聯合開發一系列他們稱之為的“即插即用”的遠程信息處理和駕駛者信息服務。那時Delphi在媒體咨詢會上公布的商業模式，代表了汽車遠程信息處理和多媒體系統的特殊系統需求。這種模塊化系統基於一種開放平台，並要求選用和組合的硬件來自這些元件列表：微處理器和相關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+)、計算機產生的圖形、針對CD-ROM和DVD的ATAPI、MPEG接口，以及關電模式I2C、 I2S、RS-232、IrDA、CAN、J1708、MML、PCMCIA、PCI、USB、AC97、SPI等。
增加到這個列表中的軟件功能包括Java兼容性、兼容POSIX的實時操作系統(RTOS)、導航、語音處理、視頻處理以及具有車內數據總線的通信。為確保汽車系統的功能並優化功耗和散熱，每個模塊的電源都可在軟件控制下打開或關斷。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台，便可根據不同范圍或者不同模塊提供各種特性級別。
開放源代碼
由於可更好地適應電子市場發展步伐所需的創新周期和需求，所以開放源代碼軟件是汽車制造商自然而然的選擇。可升級架構的關鍵特性和快速的技術轉移為廣泛采用Linux作為操作系統平台創造了機遇。
Linux能提供構建開放源代碼和可升級車內架構的必要基礎。作為一種操作系統，Linux固有的穩定性將支持所有開發。向基於過程的開發方法轉移要求Linux平台具有更多優點，它必須能滿足駕駛者所期望的復位快速啟動和對來自CAN、串行或者MOST總線的車內信息的快速響應。由於其獨特的處理模式，Linux能處理局部故障而不會導致大規模的系統崩潰，並且能從這些故障中恢復。Linux還具有廣泛的可用性，因此在開發來自外部需求的兼容性硬件和軟件時不會有任何障礙，這意味著與其它開發模式相比，它的系統集成和成本控制是可預測的。Linux使受人歡迎的開放標准操作系統成為可能，在這些操作系統中最著名的是POSIX和由IEEE開發的便攜式操作系統接口，後者目前以第二級形式的IEEE Std 1003.1 2004 版發布。
穩定性是Linux的關鍵優點，這種穩定性根植於其內核架構中。在Linux操作系統中，不同的應用程序相互隔離，並與核心Linux內核隔離。這種隔離處理可確保系統任務不會被普通用戶破壞，並由正常運行在Linux操作系統上的硬件進行執行。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，並且可提供內核可駐留的虛擬地址范圍。這個虛擬地址范圍被映射到物理存儲器，MMU對虛擬地址范圍進行監控以確保正確地對這個地址進行存取訪問。當訪問地址超出這個范圍時，MMU將發送一個異常信息給操作系統並對之進行處理，以防止用戶代碼破壞物理存儲器的其它區域。Linux操作系統還利用MMU分割每個用戶處理。事實上，利用用戶可以使用的服務甚至可以提供一個分割的設備驅動程序，以便很容易地在運行當中進行升級，並使關鍵設備驅動程序不會破壞其它系統和應用服務。這意味著系統任務與用戶任務是隔離的，前者不會受後者影響。它們甚至有可能配置成可自我修復和自動重啟。汽車駕駛者希望系統具有一致的穩定性，開放源代碼的硬件和軟件則為實現這種服務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，但是在這個范圍內，可以定制Linux來提供多種服務與功能，從而成為遠程信息處理應用的優秀選擇。Linux的模塊化架構組合了BusyBox(一種嵌入式應用工具包，它在一個可執行程序裡包含許多標准Unix工具)等特定嵌入式工具，可保證得到“最適合”的功能，並同時確保系統的微管理成本仍是可管理的。假如不同尺寸類別的汽車希望具有不同級別的原始設備和更新硬件，那麼這種核心靈活性對汽車制造商是很必要的。
按需要加載/卸載設備驅動程序
使Linux非常適合於遠程信息處理和駕駛者界面應用的另外一個關鍵點，是它能夠根據需要裝載設備驅動程序。例如，當將CD-ROM、DVD或者硬盤安裝在汽車裡，但是只是偶爾使用一下時，這個特性就非常有用。如果需要這個硬件，設備驅動程序將在數毫秒內加載，如果系統不再需要該硬件，則它將自動卸載。
這種根據需要裝載設備驅動程序的功能可確保Linux平台一直具有最佳操作速度。對許多產品來說，Linux系統已經具備良好的實時響應特性，但還可對它進一步優化以適應遠程信息處理和駕駛者界面應用。這些優化一般專注於針對Linux操作系統將底層硬件的性能最大化，它們集中在兩個相似的功能：具有優先權的內核功能和低延時補丁，這些可以分開使用或者結合起來使用。(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軟件工程師所期望的快速啟動和快速系統特性裝/卸載功能。除了將Linux操作系統的響應時間減少到普通操作狀態外，如今最新技術允許在要求通信總線響應時間低於60ms和整個引導過程時間在幾百毫秒范圍內的環境中使用Linux操作系統。
節省功率
Linux 還能解決汽車制造商面臨的另外一個兩難問題，即功率節省。隨著在不久的將來，汽車電子/電氣部分占整個系統成本的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，明顯高於目前標准12V(實際上是14.2V)電池系統提供的2到3kW/h功率。但在轉移過程中阻力重重，其中主要來自於汽車子系統(主要是照明、電池、儀表和駕駛者信息系統)生產商，他們在14.2V架構上投入巨大。這種意外阻力迫使汽車制造商重新考慮他們對42V系統的立場。現在有一種技術可讓汽車繼續使用14.2V系統，它常通過轉移到一種允許電子管理系統進入完全無源模式的操作模式來實現這點，而當需要這些設備時，系統可以立即恢復到以前狀態，然後再返回睡眠狀態。結合處理器共享技術，在功耗和系統運行方面都足以保持絕對的高效。但是，如果沒有開放、穩定、確定性的內核操作系統，這種高效是不可能實現的，特別是在汽車這樣的惡劣環境中。
當將Linux用作整個平台基礎的時侯，技術優點是Linux的部分優勢。此外，龐大的開發者社群對代碼庫所做的貢獻使這種技術快速向前發展。由於Linux的授權模式，已有很多資源可被用於技術支持和正在進行的開發。
事實上，為進行硅驗證和增強參考平台技術，許多半導體和電路板制造商正大量投入Linux技術開發。盡管這些優點很明顯，但由於內核和驅動程序的授權模式，Linux還是存在認知的局限性。
這些認知阻礙了汽車制造商對開放源代碼系統的廣泛采用，因為他們擔心陷入知識產權方面的問題，包括自己的知識產權和其它開發商的知識產權。然而，對那些被創建運行在Linux操作系統上的應用程序來說，哪些知識產權受保護，哪些不受保護是很清楚的。
另一個需要關注的問題是，主要的系統提供商和集成商很少能夠提供規劃未來發展方向和時間表的技術線路圖。由於銷售商提供了一種可靠、可信賴的Linux操作系統(具有汽車市場所要求的功能)，所以消費者和市場將需要並且提出這些問題的解決方法。通過結合汽車級軟件開發過程和程序、清晰理解將應用程序代碼加到整個系統的架構要求，以及關鍵芯片和硬件銷售商的持續供應鏈管理，大多數問題都將得到解決。
本文小結
在這個市場中的Linux繼續沿著標准汽車技術應用的曲線發展，它的廣泛采用只是時間問題。隨著半導體生產商越來越多使用Linux進行硅片生產前的評估和性能測試，市場推動力不斷加大。此外，芯片設計工程師正逐漸理解軟件架構對芯片銷售的重要性，他們開始采用經過優化的Linux芯片和主板支持包來展示器件的關鍵特性，並且市場和技術環境的融合也不斷地引導Linux在這個領域獲得成功。因此，向提供開放源代碼的元件轉移正變得越來越有必要。
汽車級Linux是這種變化的關鍵。通過確保汽車制造商了解開發路線圖，軟件和器件供應商也在發揮重要作用，這讓他們在開發行業標准的硬件和軟件平台的共同願望上不斷前進。
Michael O'Donnell
核心技術營銷經理
Metrowerks公司
