【Android车载系列】第1章 车载系统整体介绍
2024-05-08 06:53:48
1 车载操作系统
汽车操作系统是从传统汽车电子不断演变而来的，传统汽车电子产品可分为两类：
一类是汽车电子控制装置，通过直接向执行机构（如电子阀门、继电器开关、执行马达）发送指令，以控制车辆关键部件（如发动机、变速箱、动力电池）协同工作，这类系统一般统称为电子控制单元 （ECU）；
另一类是车载电子设备，如仪表、娱乐音响、导航系统、HUD等，这类系统不直接参与汽车行驶的控制决策，不会对车辆行驶性能和安全产生影响，通常统称为车载信息娱乐系统（IVI）。这也是Android程序员主要负责的领域。
1.1 主流车载操作系统架构
当前国内主流车载操作系统的架构如上所示，左侧是汽车的中控、副驾屏幕，操作系统一般是Android，右侧是汽车的仪表屏幕，一般是QNX系统。
1.2 以太网
以太网（Ethernet），是一种计算机局域网技术，也是互联网从业者，天天打交道的东西。在汽车座舱中IVI硬件与其他硬件间通信有时需要借助以太网来实现，例如：MQTT、HTTP等。
1.3 CAN
控制器局域网 (Controller Area Network，简称CAN或者CAN bus) 是一种功能丰富的车用总线标准。被设计用于在不需要主机（Host）的情况下，允许网络上的单片机和仪器相互通信。 它基于消息传递协 议，设计之初在车辆上采用复用通信线缆，以降低铜线使用量，后来也被其他行业所使用。
CAN 是车载领域很重要的一种通信总线，我们在中控屏上可以随时查看、设置车门、发动机、后备箱这些模块，其实就是借助CAN bus实现的，即使是Android程序员也经常要和它打交道，以后会详细讲讲这个东西。
1.4 MCU
微控制器单元，它负责着汽车很大一部分的功能，例如通过车载控制器对各项数据进行分析处理，以做 出最优决策；负责对车辆的信息娱乐交互和运动控制等等。
总的来说，MCU可以应用于车辆的通讯、能源、存储、感知以及计算，对汽车行业有着重要的作用。
1.5 SOC
SOC的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。一般说来， SOC称为系统级芯片，也有称片上系统（System on Chip），意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。
车载Soc和常见的手机Soc非常类似，内部集成了CPU和GPU。目前最主流的车载Soc是高通的8155，它就是高通在手机Soc骁龙855的基础上发展而来的。
1.6 QNX
QNX是商业类Unix实时操作系统，主要针对嵌入式系统市场。QNX采取微核心架构，操作系统中的多数功能是以许多小型的task来执行，它们被称为server。这样的架构使得用户和开发者可以关闭不需要的功能，而不需要改变操作系统本身。
QNX的应用十分广泛，被广泛应用于汽车、轨道交通、航空航天等对安全性、实时性要求较高的领域，在汽车领域的市场占有率极高。
该产品开发于20世纪80年代初，后来改名为QNX软件系统公司，公司已被黑莓公司并购。
1.7 Hypervisor
一种运行在基础物理服务器和操作系统之间的中间软件层，可允许多个操作系统和应用共享硬件。也可叫做VMM（ virtual machine monitor ），即虚拟机监视器。
目前国内主流的汽车座舱，都是在一个SOC上同时运行着两个不同特性的操作系统。对娱乐、应用生态有需求的中控、副驾一般由Android系统控制，而对稳定性、安全性要求较高的仪表盘，则由QNX系统直接控制，Android可以看做是一个运行在QNX上的虚拟系统，其底层技术原理就是Hypervisor。
其实以上说得这些都是从Android工程师角度看到的车载操作系统，实际上这只是车载操作系统的冰山一角，最底层的Other Hardware更能代表智能汽车操作系统的核心，它包含高级驾驶辅助系统、泊车辅助系统、自动驾驶系统、TCU、4G/5G网关、中央控制器等等。这些复杂的硬件与软件共同组成了一个智能汽车操作系统。
现代汽车的操作系统是如此的复杂，一些汽车的TCU、中央控制器甚至还额外运行着一套操作系统（例如linux），所以现在还没有哪一个汽车/主机厂商能够独立完成整套系统的开发，基本都需要依赖大量的第三方软、硬件供应商。
好在作为Android程序员我们只需要关心Android系统的那部分。
2 Android Automotive平台
Android Automotive是通过Android的通用框架，语言和API来实现的一个全栈，开源，高度可定制的平台。
2.1 Android Automotive与整个Android生态系统的关系
Android Automotive是Android的一部分。 Android Automotive不是Android的分支或并行开 发，它与手机，平板电脑等安卓设备上的Android具有相同的代码库，并且位于相同的存储库中。 它基于经过10多年开发的强大平台和功能集，可利用现有的安全模型，兼容性程序，开发人员工具 和基础架构，同时继续具有高度可定制性和可移植性，完全免费和开源的特点。
Android Automotive扩展了Android 。在将Android打造为功能齐全的信息娱乐平台的过程中，我们添加了对汽车特定要求，功能和技术的支持。就像今天用于移动设备的Android一样，Android
Automotive将是一个完整的汽车信息娱乐平台。
2.2 Android Automotive与Android Auto区别
Android Auto 是一个基于用户手机运行的平台，可通过 USB 连接将 Android Auto 用户体验投射到兼容的车载信息娱乐系统。Android Auto本质上就是一个运行在Android系统上的车载应用，与苹果的CarPlay，百度的CarLife类似。
Android Automotive 是一个可定制程度非常高的开源Android平台，它是一个完整的操作系统。
需要说明的是，使用Android Auto需要用户的手机支持Google服务框架，所以一般只在国内销售的汽车基本都不支持Android Auto，一些沿用了国外车机系统的合资车型可能会支持Android Auto。
2.3 Android Automotive架构
Android Automotive 是在原先Android的系统架构上增加了一些与车相关的（图中虚线框中绿色背景的）模块
1）Car App ：包括OEM和第三方开发的App
2）Car API ：提供给汽车App特有的接口
3）Car Service ：系统中与车相关的服务，主要基于CarProperty实现Vechile相关的策略
4）Vehicle Network Service ：汽车的网络服务
5）Vehicle HAL ：汽车的硬件抽象层描述，定义 OEM 可以实现的车辆属性的接口
3 车载应用
3.1 SystemUI
系统的UI。 SystemUI 是一个标准的android应用程序，它提供了系统UI的统一管理方案。 常见的状态栏、导航栏、消息中心、音量调节弹窗、蓝牙连接弹窗等一系列后台弹窗都是由SystemUI模块负责管理。
开发难度： SystemUI 作为Android系统启动的第一个带有UI的应用程序，对启动性能和稳定性都有很高的要求。 SystemUI 需要管理的模块非常多，导致开发任务比较繁重，有的车载项目会要求 SystemUI 兼容原有的应用层API，那么开发难度还会上升。开发人员需要对Android原生的 SystemUI 源码有一定的了解。
3.2 Launcher
Android系统的桌面。
开发难度：Launcher是与用户交互最多的应用程序之一，同样对启动性能和稳定性都有很高的要求。Launcher开发难度主要集中在与3D车模的互动（如果有3D模型），可能需要支持Widget的显示（WidgetHost），各种应用的拖动和编辑等。开发人员最好对Android原生的Launcher源码有一定的了解。
3.3 Settings
系统设置，是车载Android系统中非常重要的一个系统级应用，是整个车载IVI系统的控制中心，整车的音效、无线通信、状态信息、安全信息等等都是需要通过系统设置来查看和控制。
开发难度：系统设置主要难度都集中在对Android Framework层API的理解上，例如蓝牙、Wi-Fi设置就需要开发人员对系统级API有一定的了解，这些内容往往都需要阅读Android原生应用的源码才能了解，所以系统设置也是一个开发难度比较大的车载应用。
3.4 CarService
车载Android系统的核心服务之一，所有应用都需要通过CarService来查询、控制整车的状态。例如：车辆的速度、档位、点火状态等等。
3.5 VehicleSettings
车辆设置，更常用的叫法是『车控车设』。负责管理整个车辆内外设置项的应用，主要与CarService进行数据交互。可设置项非常多。驾驶模式、方向盘助力、后视镜折叠、氛围灯、座舱监测、无线充电等等。
开发难度：主要难度集中在复杂多变的UI，有的主机厂商会在HMI中引入3D化的交互模型，就还需要考虑与3D模型间的通信，同时还需要熟练运用CAN工具来模拟汽车的CAN信号用于调试和开发。
3.6 HVAC
空调。负责管理整个车辆空调的应用，主要与CarService进行数据交互。
开发难度：和『车控车设』类似。
3.7 Map
地图，车载系统的核心功能之一，负责导航和语音提示等功能。不同的主机厂商有不同的开发方式。不外乎有三种：
1）选择使用百度、高德的地图SDK自行开发导航应用；
2）将导航模块外包给百度、高德，由地图供应商进行定制化开发；
3）直接集成地图供应商已有的车载版本的应用；
开发难度：主要集中在对地图SDK的运用和理解上，而且地图应用属于对性能要求较高的模块。
3.8 Multi-Media
多媒体应用。一般包含图片浏览、在线音视频播放器、USB音视频播放器、收音机等。
车载的应用远不止以上说得这些，根据不同的需求，还有非常多的Service需要做定制化开发，这里只列举了最常见的应用类型。
汽车上还会有一些第三方的应用，常见的有QQ音乐、微信、QQ、抖音、讯飞输入法等等，这些应用主机厂商不会获得源码，一般只会拿到一个apk，直接集成到Android系统中即可。
3.9 车载应用与移动应用的区别
夸张一点说，移动端的应用开发和车载应用开发，完全就不是一个技术思路。总结一下大致有以下几个区别：
3.9.1 应用级别不同
多数车载应用属于系统级应用，可以调用Android SDK内部隐藏的API，也不需要动态地向用户申请权限。移动应用是普通应用，系统对其限制很多，需要遵守Android应用的开发规范。
由于车载应用是系统级应用，所以移动端很多常用的技术比如热修复、插件化基本都不会采用，但是相对的进程保活、开机自启就变得非常简单了。
3.9.2 迭代方式不同
移动应用只要用户的手机接入了WiFi就可以进行在线升级，所以移动应用多采用小步快跑的形式，进行快速迭代。
车载系统级应用的更新只能以整车OTA的形式进行，而OTA可能会消耗宝贵的车机流量，所以车载应用在SOP（量产）前，就必须完成全部需求的开发，而且不能出现严重的bug。在正式交付用户前，车厂内部或4S店还会进行几次OTA升级用做最后的bug修复。（如果在交付用户后还有严重的bug或需求未完成，那么大概率项目经理、程序员都要祭天了)
3.9.3 技术路线不同
正是因为车载应用对稳定性的要求极高，所以车载应用在开发时，对待新型技术会非常的慎重，比如，目前只有少数主机厂商在使用Kotlin开发车载应用，毕竟Android Framework都还没有改成Kotlin，大部分厂商对Kotlin的积极性不高。而且车载应用也不允许随意使用开源框架，如果必须使用，务必注意框架的开源协议，以免给汽车厂商带来不必要的麻烦。
3.9.4 运行环境不同
车载应用的运行环境是经过高度定制化的Android系统，定制化也就意味着bug。移动端的应用出现bug时，我们的第一反应是应用的代码有缺陷。车载应用发现bug也要考虑到是不是系统本身出现了bug，这是一件非常有挑战性的事，应用开发与系统开发相互扯皮、泼脏水也属于家常便饭。
3.10 车载应用需要掌握的技能
除了一般Android开发需要学习的基础内容外，一名优秀的车载应用工程师还需要掌握以下的技能
3.10.1 MVVM架构
虽然如今一些移动端应用已经开始尝试MVI架构，但是就像前面说得，车载应用对待新技术都会持观望态度，目前主流的车载应用还是采用基于Jetpack组件的MVVM架构。
3.10.2 构建系统级应用
由于多数车载应用都属于系统级应用，所以必须了解如何构建一个系统级应用，可以看看这本书《Android深度探索：系统应用源代码分析与ROM定制》
3.10.3 性能优化
应用的性能优化是个亘古不变的话题，掌握应用的各种性能优化方式，也是一个Android程序员必备的生存手段，汽车座舱的SOC性能比旗舰手机要差不少，如果优化好车载应用将是一个非常有挑战性的任务。
3.10.4 IPC通信
Android中最常用的跨进程通信手段是Binder，因为有大量的Service需要与应用进行交互，所以基于Binder的AIDL在车载应用开发中使用得非常广泛，学会使用AIDL也同样属于必备技能之一。
3.10.5 CAN仿真测试工具
CAN仿真测试工具包含了软件和硬件，在车载应用开发时我们需要借助这些工具来模拟发送CAN性能给到IVI来调试我们的应用，在实车调试阶段，也需要借助这些工具来捕获车辆的CAN信号来分析一些bug。常用的有CAN alyzer、CANoe、TS-Master等等，这些工具价格都极其昂贵，独自购买不现实，在车载应用开发务必把握学习和使用的机会。
3.10.6 系统应用源码
这一项是我认为最重要的，不少车载应用层项目都是反复定制各种SystemUI、Launcher、Settings等等，读懂Android系统应用源码对我们定制化开发这些应用有非常大的好处。
以上是一些车载应用开发时需要掌握的技能，其他的一些诸如：adb调试指令、Linux操作系统的运用、AOSP源码编译也都需要额外学习，根据不同的需求，JNI、NDK等技术也有可能会用上。
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