车载操作系统选型评价方法研究

摘要：软件定义汽车的基座即为车载操作系统，所有的功能及服务都运行在车载操作系统之上，对车载操作系统进行评价和选型已成为汽车制造商开发新产品的重要步骤，它决定未来产品的功能、性能、安全及成本等多方面特性。以信息娱乐系统所需的车载操作系统为例，就影响车载操作系统的几大因素进行说明，并就其评价方法及几种新型操作系统的评价结果做了研究，为汽车制造商在车载操作系统的选型方法方面提供理论支撑。

关键词：车载操作系统；评价；选型；关键因素

中图分类号：U463.2  收稿日期：2023-11-05

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401025

1 前言

随着智能网联汽车领域的不断发展，软件定义汽车的方向日渐明朗，车载操作系统作为功能及服务软件运行的基础，在车企的研发过程中占据了越来越重要的地位。

车载操作系统发端于普通操作系统，但相比于普通消费类电子操作系统，有着更多功能性与非功能性上的要求。车载操作系统既包含标准操作系统所需的内核、资源抽象、基础库等，又包含车载场景下上层应用服务所需的基础服务，并有着更高的信息安全和功能安全要求[1]。

考虑到操作系统的多样性及其功能方向的自由性，对操作系统的选型评测一直没有统一的标准体系。车企通常会选择合适的操作系统作为基线进行进一步的定制和开发，因此如何选择一个合适的基线来平衡开发成本和定制需求的问题，有着进一步研究的必要性。

本文主要以支持信息娱乐系统为目标设计并实现的几个新型车载操作系统为例，从多个角度分析影响车载操作系统选型的几大因素及可行的评价方法。其中涉及的操作系统包括Android、AliOS、鸿蒙OS，其测试数据及结果基于三个新型车载操作系统2021年状态完成，其中Android由一级供应商提供硬件设备及软件，AliOS和鸿蒙OS由系统供应商提供硬件设备及软件。

2 性能、稳定性、安全性评价

对于性能的评价，可以了解待选操作系统在不同负载条件下的表现，包括响应速度、资源利用率、处理能力等方面。通过性能评测，可以确定操作系统是否能够满足预期的性能需求，从而决定是否需要进行优化或调整配置。对于稳定性的评价，可以模拟各种使用场景和情况，如高负载、异常输入等，测试操作系统是否能够正常运行且不崩溃。稳定性评测帮助我们确定操作系统在长时间运行和面对各种异常情况时的表现，以确保系统的可靠性和可用性。对于安全性的评价，可以检查操作系统是否存在潜在的安全漏洞，以及对恶意攻击和未授权访问的抵抗能力。安全性评测帮助我们发现并解决安全风险，提升操作系统的安全性，并保护最终用户的数据和隐私[2]。

2.1 性能评测

对待选操作系统进行测试，主要是为了确定基线性能，以便在将来评估系统变更（如功能開发，硬件/软件升级，负载增减等）后的性能影响。常见的性能测试包括以下内容：

a.通用性能测试。该测试包括启动时间、响应时间、流畅度测试等。对于一个车载操作系统来说，往往包括从各种电源状态起始的启动时间、各个已整合功能达到可用状态的启动时间；各种页面显示及跳转的响应时间、各类音源设置及切换的响应时间、物理按键的响应时间，如果有测试应用的话，也可以对应用的操作响应时间进行测试，侧面反应系统的性能状态；对于流畅度，需要结合主观感受和客观评价指标帧率，对各种滑动、点击的状态进行评测。

b.专业性能测试。该测试包括实时性、资源管理效率、压力承受能力测试等。通过产生制定数量的定时器或者定时中断，看系统的响应时间是否符合实时要求；或创建多个线程对操作系统进行并发操作，来测试其并发处理能力和任务切换时间；监测和记录系统在运行过程中CPU、内存和存储等资源的使用情况，从而了解系统的资源占用情况和资源管理效率；在操作系统上运行大量资源和计算密集的任务，来评估系统在极限条件下的表现，确定系统的最大负载能力，以及在超负载情况下恢复到正常状态的能力。

2.2 稳定性评测

a.启动稳定性测试。模拟休眠启动、手动重启、诊断重启、断电重启等状态，测试系统启动后能否返回到正常或异常恢复之前的状态，数据是否完整，功能是否运行正常。

b.运行稳定性测试。遍历所有常规操作，查看系统是否会发生死机、黑屏、卡死等现象。

c.高负荷稳定性测试。模拟高负载的情况来测试系统的稳定性和压力承受能力。这可能包括同时运行多个应用程序、创建大量线程或进程，或者给系统输入大量数据等。

d.长时间运行测试。通过让系统长时间连续运行，观察它是否能在这样的环境下稳定运行，或是否可能出现慢速下降、程序崩溃、重启等问题。

2.3 安全性评测

在项目前期选型阶段对一个待选操作系统安全性进行评测，有认可和测试两种做法。认可即是由操作系统供应商自行通过审计与合规认证，确保系统符合行业规定的安全标准和合规性要求；针对目前行业中已识别和评估的系统可能面临的威胁和漏洞，系统供应商应说明在系统中已达成的相关防范措施及安全方案等。测试即由制造商或第三方检测机构对现有系统进行相关评测，例如，静态安全测试，即在源代码级别进行的安全测试；动态安全测试，即在系统运行时测试其安全缺陷；网络安全测试，即测试网络连接及其防火墙等的安全性；弱点扫描及渗透测试。

对于上述3个操作系统，初步结果如下：

性能评测—启动时间，主界面可见AliOS最快12 s，全功能可用鸿蒙OS最快27 s；功能平均响应时间，鸿蒙OS最快，低于1 s；操作流程度，鸿蒙OS最佳。

稳定性评测—超过30次各类型重启，以评测其启动稳定性，3个系统全部通过；定义4种高负荷运行场景，每种场景各10次测试，以评测其高负载稳定性，3个系统全部通过；超过8 h不间断操作使用，以评测其长时运行稳定性，3个系统全部通过。

安全性评测—代码成熟度方面，Android有超过10年开源维护，且在全球广泛开发使用，AliOS通过Cymotive合格审核，但目前仅在小范围车机系统使用，鸿蒙OS尚无审核证明，但在移动设备领域积累良好；权限管理方面，3个系统都具备Linux内核提供的安全机制，AliOS和鸿蒙OS还有供应商定制的增强机制。

3 功能整合及接口提供

一个已经整合了更多功能的操作系统，意味着开发团队不需要从头开始独立开发或集成这些功能，可以帮忙团队快速搭建产品，专注于定制化和优化产品的关键功能，提高开发效率加快产品上市和交付的速度。同时，统一服务整合的操作系统，往往能为上层应用提供更便捷、高效和一体化的使用体验，在一个平台体系上即可完成多样化的任务和操作。更多的接口提供可以满足用户应用差异化的需求，允许上层应用根据需求进行自定义的调用和设置，提供更大的灵活性和自由度，而且通过更多的对外接口，可以更好地与外部设备、应用程序和服务进行交互和连接，满足不同制造商和应用的需求，实现更高的扩展性和兼容性，推动汽车与智能设备、云服务等技术的融合。

对于一个待选的操作系统，其功能整合及接口状态主要依靠系统供应商提供的合作相关资料和系统开发文档，如开发者网站中的信息来进行分析。如果有测试应用及测试设备，也可以进行黑盒或白盒测试来对功能的整合状态和接口的可用性进行评测。

对于上述3个操作系统，针对官网提供的信息进行了分析，初步结果如下：

Android提供的功能及API丰富，跨屏互动能力很强，但车载能力相对较弱，定制开发要求较多，；AliOS开放的API有限，但车载能力更强，适用于整车SOA开发；鸿蒙OS提供的API丰富，也适用于跨屏互动，车载能力更强，针对车载场景提供了超过500多种API。

4 硬件适配及资源需求

硬件适配状态可以确定待选操作系统能否在不同硬件配置的设备上正常运行，发现可能存在的硬件兼容性问题，也为硬件选型提供一定的参考依据。了解系统对计算资源的使用情况，包括处理器、内存、存储器等，可以帮助产品选择合适的硬件配置，避免过度配置导致资源浪费，也避免硬件配置过低导致性能不佳，合理降低硬件成本，提高整体的成本效益。与此同时，可以识别待选的操作系统是否存在资源占用过高或者浪费的问题，帮助规划在后续定制开发中进行优化，提高系统的资源利用效率，降低硬件资源消耗，提升整体系统性能[3]。

硬件适配评测主要应包含两部分：硬件兼容性测试和驱动程序测试。硬件兼容性测试是为了验证操作系统是否可以在目标硬件设备上正常运行。驱动程序测试是为了评测操作系统是否提供了所有需要的驱动程序，以支持所有的硬件设备。通常硬件适配评测可以基于系统供应商提供的目标芯片参考设计的公版硬件和配合待选操作系统的基础适配实现来完成，如果待选操作系统已有相似硬件的量产状态项目，并且运行状态良好、无明显故障及市場抱怨，也可作为成熟软硬件适配状态免去评估。而资源需求的评测可以基于性能评测中对资源占用的监控和记录来完成，这里需要强调的是必须同时考虑正常运行状态与高负荷运行状态的资源需求，以防止在进行硬件配置时，峰值支持不足造成的性能问题。

对于上述3个操作系统，邀请系统供应商提供了目前已适配及量产的状态，并对其提供的测试样品进行了测试，初步结果如下：

Android在各类芯片上都由不同供应商进行了广泛适配，测试样品单系统消耗约3.2kDMIPS CPU和约2G内存；AliOS在杰发科技、TI、NXP、瑞萨、MTK、高通的芯片上都有适配，测试样品单系统消耗约4.3kDMIPS CPU和约2G内存；鸿蒙OS仅在麒麟芯片上适配，测试样品单系统消耗约5.8kDMIPS CPU和约4.8G内存。

5 开源状态及定制扩展

开源的操作系统使制造商和开发团队可以根据特殊的需求进行自定义和适应，添加个性化功能，这种灵活性可以促进操作系统的定制化和扩展性，使其更适应不同应用功能和用户场景的需求。对于开源部分代码的公开可见，使得潜在的安全漏洞、缺陷或后门都可以较快被发现，修复漏洞、改进系统的过程更加透明和快速，有助于确保操作系统的可靠性和安全性。但与之相对应的，开源代码的漏洞易被发现易被攻击，如果选择使用公开化的开源操作系统，却没有及时对系统进行检测和维护，也更易受到威胁。

这一部分的评估结果依赖于系统供应商公开的开发资源以及与制造商之间合作关系的约定。

对于上述3个操作系统，可以从官网信息及与供应商的沟通中获取到相关的信息，初步结果如下：

Android完全开放源码，易于全面定制化开发；AliOS开放应用程序框架和车辆服务层接口，对制造商开放车辆HAL层和车辆服务层源码，支持扩展和商业定制开发；鸿蒙OS完全开放各层接口，支持扩展和商业定制开发。

6 开发语言及开发环境

选择合适的开发语言和开发环境可以显著影响开发团队的生产效率和开发成本。待选操作系统如果使用一种流行且易用的开发语言可以让开发团队更快地上手和开发代码，减少开发周期[4]。同时，一个稳定且易用的开发环境可以提供代码编辑、调试和测试等工具，简化开发流程，提高开发效率。高效和可扩展的开发语言以及高性能的开发环境对系统的性能和可扩展性也能提供更好的支撑。

这一部分的评估结果依赖于系统供应商公开的开发资源以及与制造商之间合作关系的约定。

对于上述3个操作系统，我们对于开放的接口和源码进行了分析，并与供应商进行了沟通，初步结果如下：

开发语言—由于3个操作系统都是基于Linux内核，因此都在内核层使用C/C++开发；在中间件部分都支持C/C++语言，同时Android和鸿蒙OS还支持JAVA开发；在应用层，Android主要使用JAVA和Python，AliOS支持JavaScript、TypeScript、XTS、C/C++，鸿蒙OS则支持Java、JavaScript、C/C++。

开发环境—3个操作系统都有可支持系统层开发及编译工具的IDE环境，Android和鸿蒙OS的IDE环境还整合入了HMI开发和各类开发工具包，而AliOS的HMI开发和工具包是独立提供的。

7 路线图及开发支持

操作系统的发布路线图可以展示系统将来的发展方向、新功能和特性的计划，通过了解系统的路线图，制造商可以为未来做好准备，根据自己的需求进行规划和决策。

操作系统供应商的开发支持可以帮助制造商和开发团队获得及时的技术支持和问题解决。这对于确保系统的稳定性、高效性和可靠性非常重要。

操作系统的维护周期决定了其供应商对系统的安全性和漏洞修复的支持程度，用于确保操作系统的安全性，并降低制造商和用户受到攻击的风险。另一方面，供应商对操作系统的长期支持和可持续发展能够为制造商和用户提供稳定的产品生命周期和升级路径，保证其并在未来的应用开发和维护中持续受益[5]。

这一部分的评估结果依赖于系统供应商公开的系统发展规划和功能开发路线，以及与制造商之间合作关系的约定。

对于上述3个操作系统，其路线图与维护周期涉及各家制造商的商务沟通结果，除了Android以外其他不做详述，而开发支持信息可以通过官网获取，初步结果如下：

Android每年发布一版，4年官方维护期，有官方开发者手册，存在大量第三方开发者论坛，且内容极其丰富；AliOS和鸿蒙OS有官方开发者手册，官方开发者论坛，官方支持团队，并可为合作方开发者提供培训。

8 结语

车载操作系统选型并非一个纯技术性的评价过程，可以有流程可以有体系，但不能对所有的制造商形成一致性的决策结果，只能作为参考依据成为一种决策因子。在对车载操作系统进行选型时，还需要综合考虑产品定位与业务需求、预算和成本及合规性等。

本文对技术性与理论性的评价方法进行了研究与总结，选型决策应依据评价结果结合制造商的产品需求及策略来达成最终结果。

参考文献：

[1]汪志鸿，于德营，马天泽，等车用操作系统技术现状及发展趋势[J].汽车工程，2023，45（6）：910-912

[2]任怡，吴庆波，戴华东，等通用操作系统对比评测标准研究. 计算机科学，2011，38（11）：286-290

[3]梁争争，谭志宏，王斌嵌入式微处理器与操作系统集成验证技术研究[J]航空计算技術，2023，53（4）：98-101

[4]黄宏丞，裴海洋，吕振计算机软件开发编程语言选择研究. 科技风，2018（7）：102

[5]朱芙蓉，刘敏，秦文贞车载信息娱乐系统开发模式现状与未来趋势分析[J]汽车电器，2021（12）：33-35

作者简介：

卜烨雯，女，1983年生，研究方向为车载操作系统架构。