边旭东　张亦弛　谢卉瑜

摘 要：随着汽车智能化、网联化水平提高，汽车座舱逐渐向以人机交互为核心、多屏联动的智能座舱发展。在芯片研发制造、虚拟化技术大力发展下，在一颗性能强大芯片上运行多个车载操作系统，同时驱动多个显示屏的“一芯多屏”智能座舱方案成为智能座舱的发展趋势。

关键词：智能座舱 一芯多屏 人机交互 虚拟机监视器

1 前言

随着汽车产业智能网联化进程的不断发展，消费者对于汽车的认识逐步从“代步的交通工具”向连接家和办公室的“第三空间”转变，汽车座舱作为空间承载体，愈加受到整车厂、汽车零部件厂商的重视。而传统座舱中功能布局零散，机械式仪表与中控显示屏的人机交互体验较差，不能满足消费者对汽车座舱智能化的需求。与此同时，在人工智能、车联网技术、汽车芯片以及操作系统等技术发展助推下，以人机交互为核心，能提供多屏联动的智能座舱呼之欲出。

智能座舱是由车载娱乐系统、数字液晶仪表、抬头显示器（HUD）、流媒体后视镜以及后排显示屏等电子设备组成的一套完整系统。它是对传统座舱全方位的升级，在硬件方面，将传统机械式仪表升级为数字液晶仪表，为驾驶信息提供极富科技感的画面展示;增加了流媒体后视镜、HUD及后排显示屏，为消费者提供完善的导航信息、周围环境信息以及娱乐信息。在软件方面，融入了多模态交互、智能场景、个性化服务，满足多样化人机交互需求，提升消费者驾驶体验。

2 “一芯多屏”趋势

近年来，大多数整车厂的座舱方案中车载娱乐系统、数字液晶仪表、HUD等电子设备均具备控制器，各个控制器单独控制自身显示界面输出。这种方案主要存在两大弊端：一方面是控制器数量增加，提高整车成本，导致整车厂成本控制压力陡增;另一方面是在座舱电子设备日益频繁的信息交互下，为实现多屏联动，控制器之间通信开销加大，通信延迟增加，同时对整车厂如何协同众多厂商开展多屏信息交互开发工作提出巨大挑战。

随着芯片行业的快速发展，车载芯片的算力得到巨大提升，使得依靠一颗SoC系统级芯片运行多个操作系统、同时驱动多个显示屏融合交互（即“一芯多屏”）逐渐成为现实。2015年世界通信大会上，伟世通首次推出智能座舱解决方案SmartCore[1]，它在一个多核SoC级芯片上运行车载娱乐系统、数字仪表、HUD等多个独立系统，重新定义了信息传输方式，让多屏交互更易实现。这一方案在2018年由奔驰率先完成量产，如图1所示，标志着智能座舱进入“一芯多屏”阶段。

目前，国内外汽车零部件厂商均积极加快“一芯多屏”式智能座舱的布局。安波福推出基于英特尔芯片的ICC智能座舱方案，目前已在长城、沃尔沃等车型量产;电装与黑莓联合推出Harmony Core方案，在斯巴鲁车型中实现量产;一汽集团、东软和英特尔联合发布智能座舱平台C4-Alfus，已在红旗车型中投产[2];德赛西威基于高通820A车载芯片为理想ONE车型打造四屏互动的智能座舱方案。

“一芯多屏”式智能座舱方案将成为主流趋势。在成本控制层面，与“多芯多屏”方案相比，“一芯多屏”方案的总成本降低;在通信层面，“一芯多屏”方案中多屏交互信息在芯片内部完成传输，改变了多个操作系统之间通过CAN/LIN总线等通信传输信息的方式，通信时间大幅降低;在安全性层面，采用“一芯多屏”方案，系统复杂度降低，芯片等器件数量减少，整体可靠性增加。

3 “一芯多屏”关键器件与关键技术

在产品构成上，“一芯多屏”式智能座舱的硬件部分主要包括以车载芯片为核心的计算平台、显示屏等，软件部分主要包括操作系统、虚拟机监视器（Hypervisor）、中间件、支撑工具等。

3.1 车载芯片

“一芯多屏”方案中车载芯片的CPU决定了多个应用APP同时运行的流畅度，GPU决定了中控显示屏、液晶仪表的清晰度，动画效果流畅度[3]。为实现智能座舱中触屏、语音、人脸识别、手势识别等多模态顺畅交互，实现多屏联动、显示画面生动流畅，对车载芯片的CPU及GPU运算需求随之提高，从而促进汽车芯片产业的发展。

当前智能座舱芯片市场主要包括恩智浦、瑞萨电子、德州仪器等传统汽车芯片厂商，同时以高通、英特尔、三星为代表的消费电子芯片厂商也纷纷布局其中，形成了以恩智浦i.MX 8QM、瑞萨R-CAR H3、高通820A、英特尔A3950为代表的智能座舱主流芯片。表1是以上四种车载芯片的性能参数。通过对比四款芯片的参数，可以发现高通820A芯片在制造工艺、CPU主频、GPU性能等方面均处于行业领先，并且理想ONE、2020款奥迪A4L、领克05、小鹏P7等近十款新车型均搭载高通820A座舱芯片，充分说明芯片运算能力决定其市场占有份额。

除了以上国际芯片厂商外，国内芯片厂商也同样加快产品研发步伐，推出各自座舱芯片产品。2018年亚洲CES上，全志发布了针对智能座舱的车规级SoC芯片T7[4];2020年6月，地平线开发的智能座舱AI芯片征程2在长安UNI-T正式下线应用;黑芝麻发布了两款车载芯片，计划在2021年量产;华为与比亚迪半导体合作，进一步加快智能座舱芯片研发的步伐。

3.2 车载操作系统

在“一芯多屏”趋势下，车载操作系统将是智能座舱的软件核心。通过车载操作系统管理智能座舱内的硬件资源，调配软件运行，为车载应用APP提供运行环境，使得智能座舱的音、视频信号发挥出最大作用，为驾驶员营造舒适驾驶环境，并提供车辆行驶信息、导航信息、音响娱乐等信息。

主流车载操作系统主要包括QNX、Linux和Android三大系统。QNX系统是黑莓（Blackberry）公司开发，可靠性强，安全性高，但其开发费用高，系统非开源，导致软件生态并不完善。Linux是基于POSIX和UNIX的多用户、多任务，支持多线程和多CPU的操作系统[5]，并且是免费的开源系统，开发成本低。Android是基于Linux系统内核开发而来的，它的优势在于软件生态建设完善，系统开发者人数占据优势，与之适配的APP应用数量眾多，但系统安全性、稳定性较差，易出现黑屏、死机等现象，无法满足数字仪表功能安全要求。另外，国内阿里与上汽合作，基于Linux系统内核打造了AliOS系统，依托于阿里云，可实现车端、云端、用户端三者互联互通。

在智能座舱中，数字液晶仪表负责向驾驶者显示车内传感器的关键信息，涉及车辆安全，根据ISO 26262标准中要求，数字液晶仪表必须符合ASIL B级标准，一般采用QNX或者Linux系统。而车载娱乐系统负责导航、蓝牙电话、语音交互等非安全相关功能，大多采用Android系统。

各大整车厂目前均在三大操作系统基础上开发定制个性化操作系统，其中基于QNX系统的整车厂有奔驰、宝马、奥迪、福特、大众等，基于Linux系统的整车厂有特斯拉、雪佛兰、丰田等，基于Android系统的整车厂有通用、吉利、一汽、广汽、比亚迪等。

3.3 “一芯多屏”实现方式

“一芯多屏”的实现主要有两种途径，一种是硬件隔离（Hardware Partition），另一种是虚拟机监视器（Hypervisor）。它们之间主要区别在于硬件资源是否共享。

硬件隔离[6]是通过硬件分区将SoC芯片的内存区域、外围设备、引脚等硬件资源进行划分和管理，硬件分区对各自所属资源具有访问和管理功能，分区间硬件资源不能共享。以恩智浦i.MX 8QM芯片为代表的智能座舱方案是基于硬件隔离实现的。在芯片内，分别建立了仪表和娱乐系统的硬件分区，将多核CPU及其他硬件资源按操作系统需求分配到各自分区内，最终实现在仪表分区内运行Linux系统，在娱乐系统分区内运行Android系统。硬件隔离简化了硬件资源分配与管理，为软件开发提供极大便利性。

虚拟机监视器（Hypervisor）[7]是运行在硬件设备与操作系统之间的一种中间软件层，允许多个操作系统共享硬件资源。在虚拟化环境下，Hypervisor可以调度CPU内核、外部设备、内存区域等硬件资源，并为每个虚拟机分配不同资源。在Hypervisor协调控制下，多个操作系统在硬件方面实现资源共享共用，在软件方面保持独立、互不干涉。即使一个操作系统出现软件故障或发生崩溃，其他操作系统仍可继续正常运行。

按照Hypervisor运行所在介质，可将其分为两大类，第一类是Hypervisor直接在硬件设备上运行，一般称为Type-1型;第二类是Hypervisor在操作系统上运行，。在汽车领域中，第一类Hypervisor应用十分广泛，已成为“一芯多屏”式智能座舱的主流配置。常见的车载Hypervisor包括QNX Hypervisor、ACRN、XEN、COQOS等，其中QNX Hypervisor功能安全等级最高。

4 “一芯多屏”发展面临的挑战

从汽车芯片厂商角度，实现“一芯多屏”方案需要开发系统级芯片，技术门槛随之升高。在前期芯片设计、测试验证过程中，芯片厂商为满足整车厂的车规级AEC-Q100要求，以及ISO 26262 ASIL B级功能安全认证而需投入大量研发资金和时间。

从汽车零部件厂商角度，利用Hypervisor实现“一芯多屏”方案开发周期较长，平均需要12至18个月甚至更长时间，其开发难度在于虚拟化环境下多系统运行测试验证，使其保障智能座舱平台的流畅可靠。

从整车厂角度，面对激烈的市场竞争，想通过个性化智能座舱吸引消费者，必须在资金与技术研发进行足够投入。而目前处于压缩成本的大环境下，如何平衡成本与维持产品硬件品控、软件稳定可靠的之间关系是巨大挑战。

智能座舱正处于快速发展时期，要解决以上问题，需要芯片厂商、汽车零部件厂商以及整车厂三者之间提早规划，紧密合作，协同开发，建立以“芯片厂商-零部件厂商-整车厂”为核心的联盟，共同努力推动我国智能网联汽车朝着“场景主导、软件定义、数据驱动”的方向不断前进。

参考文献：

[1]《汽车与配件》编辑部. 伟世通：全面提升座舱体验[J]. 汽车與配件，2016（19）.

[2]佚名. 英特尔携手东软、红旗共同发布“智能驾驶舱平台”[J]. 电子技术应用，2016，42（11）：11.

[3]阮晓东.思维之战，汽车后市场O2O[J]. 新经济导刊，2014（06）：30-33.

[4]王娟娟.发展车联网，为智慧交通赋能[J]. 中国电信业，2019，000（007）：37-41.

[5]周丽，焦程波，兰巨龙. LINUX系统下多线程与多进程性能分析[J]. 微计算机信息，2005，021（09X）：P.118-120，149.

[6]李小庆，赵晓东，曾庆凯.基于硬件虚拟化的单向隔离执行模型[J].软件学报，2012（08）：2207-2222.

[7]孙晨阳. 服务器虚拟化技术与应用[J]. 科学大众（科学教育），2014，000（003）：169-170.