電子電器架構(gòu)-基于Adaptive AUTOSAR的電子電器架構(gòu)簡析

背景信息用于半自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、定期OTA更新軟件和伴隨可安裝附加可收費(fèi)軟件模式，上述功能很快會(huì)成為車輛的標(biāo)準(zhǔn)功能。然而若沒有對(duì)應(yīng)的新的電子電氣架構(gòu)和強(qiáng)大性能的ECU，這些復(fù)雜的電氣功能就無法實(shí)現(xiàn)?；谏鲜龅墓δ苊枋鲕囕d軟件的代碼數(shù)量和復(fù)雜度持續(xù)快速增加。這種趨勢絕對(duì)不是新的但是現(xiàn)在汽車行業(yè)大量部門正在經(jīng)歷重大變化，目的在于滿足新的市場需求這種趨勢在車電子產(chǎn)品上更為凸顯。由于新的需求對(duì)于算力要求更高，以往做電子控制單元的MCU已經(jīng)逐漸不能滿足性能需求。因此以往這些微處理器中的一個(gè)或多個(gè)，集中被所謂的高性能ECU替代，也就是目前行業(yè)里常說的域控制器或者最終形態(tài)一HPC。那個(gè)時(shí)候車輛就會(huì)被成為奔跑的“電腦"。這些ECU中的微處理器與智能手機(jī)或PC中使用的微處理器非常相似，需要新的軟件架構(gòu)這種架構(gòu)的一個(gè)方面是符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，通常用于有效利用計(jì)算資源。這些操作系統(tǒng)允許對(duì)執(zhí)行的軟件進(jìn)行更動(dòng)態(tài)的處理,并且比以前使用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)更徹底地從硬件中抽象出來。為了將這些微處理器無縫集成到現(xiàn)有的車輛網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)行在操作系統(tǒng)頂部的中間件基于標(biāo)準(zhǔn)的AUTOSARAdaptive.由于需求的變更，也給車載電子電氣架構(gòu)帶來的變化:域和中央服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)集成將提到的高性能計(jì)算機(jī)放入車輛中。新的架構(gòu)特點(diǎn):在快速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)大處理器的支持下，重點(diǎn)不再是高效的數(shù)據(jù)傳輸，而是單個(gè)ECU的更強(qiáng)解耦。更改單個(gè)ECU應(yīng)盡可能減少對(duì)系統(tǒng)其余部分的影響。例如，典型的方法是引入面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA架構(gòu))。具有中央服務(wù)器的新E/E架構(gòu)新的電子電氣架構(gòu)特點(diǎn),除了解擺單個(gè)組件之外,提高硬件和軟件的可重用性是另一個(gè)目標(biāo)這樣的話，車載組件就可以跨車輛甚至跨OEM使用。對(duì)于近年來的經(jīng)典E/E架構(gòu)，無法滿足這一要求。圖1顯示了這種面向ECU的架構(gòu)如上圖，一個(gè)功能僅由一個(gè)ECU實(shí)現(xiàn)。它帶來了一組相關(guān)的傳感器和執(zhí)行器，并接收額外的來自車輛網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。車輛的通信矩陣描述了ECU之間的這些必要的通信通道。然而這樣的設(shè)計(jì)，限制可重用性。傳感器和執(zhí)行器直接連接到功能正常的ECU。如果需要這些值由其他總線參與者使用，需要更改通信矩陣。為了解決上述問題，以域控制器為核心的電子電氣架構(gòu)建立。如下圖典型的域控制器如->車身;->動(dòng)力;->信息娛樂域;此體系結(jié)構(gòu)的基本思想是使用每個(gè)域的強(qiáng)大控制器，大部分必要的傳感器/執(zhí)行器都連接到該控制器。對(duì)于域控制器，它需要協(xié)調(diào)下掛的子節(jié)點(diǎn)。這大大提高了在域內(nèi)擴(kuò)展功能的靈活性，因?yàn)檎{(diào)整通常只會(huì)導(dǎo)致域本地更改。但是開頭提到的用例不能直接分配給域。高度自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)功能需要來自所有域的信息，并將數(shù)據(jù)反饋給它們。這種方法的下一個(gè)開發(fā)步驟是中央服務(wù)器體系結(jié)構(gòu):這些域組合在一個(gè)大型高性能計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)群集中。但是，域體系結(jié)構(gòu)存在更多差異比這。例如，不再可能將傳感器/執(zhí)行器直接連接到中央控制單元，因?yàn)樵S多1/0外設(shè)無法連接到當(dāng)今可用的處理器。傳感器/執(zhí)行器現(xiàn)在作為所謂的“智能傳感器”和“智能執(zhí)行器”直接連接到網(wǎng)絡(luò)，并執(zhí)行機(jī)電一體化任務(wù)。因此，它們獨(dú)立于ECU和車輛，從而實(shí)現(xiàn)具有高重用潛力的模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是，對(duì)于低成本傳感器，此過程不會(huì)具有良好的成本效益比。要使用這些傳感器，它們也可以直接連接到圖中藍(lán)色的集成節(jié)點(diǎn)(域控制器)。上述這些節(jié)點(diǎn)還有另外一個(gè)重要功能:它們充當(dāng)傳感器和執(zhí)行器的總線系統(tǒng)之間的網(wǎng)關(guān)，比如CAN總線、LIN總線、車載以大網(wǎng)在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)代表中央計(jì)算機(jī)方向的主總線系統(tǒng)。車載以太網(wǎng)會(huì)作為主干網(wǎng)體現(xiàn)在整車電子電氣架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲小ＤK化和功能可擴(kuò)展的架構(gòu)是由傳感器和執(zhí)行器ECU的適當(dāng)抽象接口創(chuàng)建。中央服務(wù)器的復(fù)雜架構(gòu)中央服務(wù)器或者集成節(jié)點(diǎn)是一人復(fù)雜的ECU，它通常包含多處理器和多控制器。對(duì)于日常就是所說的多核和多系統(tǒng)。這種異構(gòu)結(jié)構(gòu)提供了一些優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭刂破骱吞幚砥髟趯傩陨鲜窍噍o相成的。一個(gè)例子是更快的微控制器的啟動(dòng)時(shí)間。開機(jī)后，它可以快速投入運(yùn)行，因此可以參與與其他ECU的通信并執(zhí)行其功能。此外，即使是微秒范圍內(nèi)具有低抖動(dòng)的最高時(shí)序要求也可以通過微控制器來滿足。微控制器也更適合以下情況:實(shí)現(xiàn)的功能需要頻繁中斷。微處理器在其他領(lǐng)域也有其優(yōu)勢。最重要的是它的性能。使用的計(jì)算內(nèi)核提供更高的時(shí)鐘速率，并帶來許多功能，如高多標(biāo)量或跳躍預(yù)測，提高平均性能。較大的緩存還允許連接速度較慢但較大的外部存儲(chǔ)設(shè)備。除了更多的資源容量外，微處理器還提供更好的硬件虛擬化支持，使虛擬機(jī)管理程序技術(shù)更容易使用。帶有微控制器和微處理器的異構(gòu)設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于滿足安全要求。根據(jù)ISO26262，當(dāng)前處理器實(shí)現(xiàn)高達(dá)ASILB的完整性級(jí)別。通過使用幾余，高度自動(dòng)化所害的ASILD級(jí)盡管如此，還是可以實(shí)現(xiàn)駕駛。在這樣的系統(tǒng)中，附加微控制器執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù)，一方面，它執(zhí)行監(jiān)控功能。然而，它也可用于在發(fā)生故障時(shí)提供降級(jí)的功能，以便系統(tǒng)可以繼續(xù)以高度的可靠性執(zhí)行其功能。這是故障操作系統(tǒng)所需的重要功能，即在發(fā)生故障時(shí)必須繼續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)ECU配備了多個(gè)可編程組件，這樣的事實(shí)導(dǎo)致了另一個(gè)方面:從外面來看，它仍然是一個(gè)單-的ECU。然而，在內(nèi)部，許多獨(dú)立的軟件組件實(shí)現(xiàn)了ECU功能。這樣的狀況，導(dǎo)致了技術(shù)和組織挑戰(zhàn)。單純從技術(shù)角度來看，組件必須能夠相互通信以提供通用功能。ECU制造商現(xiàn)在的任務(wù)是使用處理器間通信(IPC)連接組件并描述交換的數(shù)據(jù)。這是ECU制造商的一項(xiàng)新任務(wù)，因?yàn)榇瞬襟E在以前的工作流程中沒有發(fā)生。到目前為止只需要描述ECU之間的數(shù)據(jù)交換。然而，這一責(zé)任完全掌握在車輛制造商手中。上述這些問題同樣適用于系統(tǒng)的診斷功能、軟件更新和網(wǎng)絡(luò)管理:以前是定義具體ECU的對(duì)應(yīng)功能需求，現(xiàn)在這方面內(nèi)容需要分布式和協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于域控制器的出現(xiàn)，單從組織的角度來看，集成各種軟件組件是一項(xiàng)越來越大的挑戰(zhàn)。對(duì)于單個(gè)模塊功能實(shí)現(xiàn)起來不是問題，但是將各個(gè)功能模塊集成到一起，一些兼容性問題、資源匱乏問題、操作系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級(jí)并發(fā)問題等等，就會(huì)不可控的出現(xiàn)。因此需要大家對(duì)于規(guī)范的定義更為嚴(yán)苛，這樣ECU的模塊化設(shè)計(jì)和符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)使集成來自多個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)的軟件變得更加容易。導(dǎo)致的結(jié)果是ECU集成供應(yīng)商的集成工作越來越復(fù)雜，這使得為ECU集成商提供專業(yè)工具以支持其具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)變得更加重要?；谥行腅CU平臺(tái)的AP架構(gòu)如前所述，在微處理器上執(zhí)行的軟件組件通常不基于AUTOSARClassic標(biāo)準(zhǔn)。有需求就會(huì)有解決方案，AUTOSARAdaptive用于此硬件，以滿足模塊化，動(dòng)態(tài)和更新功能的要求?；诋?dāng)前現(xiàn)狀，AUTOSARAdaptive正在成為車輛高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。TheAUTOSARAdaptive中間件使用符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，如Linux、PikeOS或ONX，并通過所有必要的汽車擴(kuò)展來完成它們。AUTOSARAdaptive的主要功能之一是通信層ara::com。這樣可以與其他AUTOSAR自適應(yīng)應(yīng)用程序以及車輛中的其他軟件組件(SWC)進(jìn)行通信。診斷功能、信息安全和功能安全是對(duì)功能特性的補(bǔ)充。這樣說是不是特別像ClassicAUTOSAF軟件BSW特性。但是從細(xì)節(jié)上存在一些體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)差異。例如，ara:com是面向服務(wù)的中間件。這樣允許控制器在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)建立通信路徑。在運(yùn)行時(shí)建立通信的機(jī)制給應(yīng)用軟件(ApplicationSoftware)帶來了很大的活力。同樣的情況，對(duì)于ClassicAUTOSAR，則需要調(diào)整通信矩陣才可以將內(nèi)容發(fā)送給ECU。這樣一對(duì)比，對(duì)于軟件功能的易擴(kuò)展，新的軟件架構(gòu)有更大的優(yōu)勢:基于面向服務(wù)的方式，杜宇ECU需要的信息可以訂閱。除了上述優(yōu)勢，還有其他不太明顯的優(yōu)勢:->1、硬件驅(qū)動(dòng)和高level的軟件分離更為嚴(yán)苛。這樣的結(jié)果會(huì)讓車輛中獨(dú)立于硬件的軟件更為便以攜帶。與AUTOSARClassicECU相比，這以實(shí)現(xiàn)更大的資源優(yōu)化。例如，如果超過資源限制，則開發(fā)階段的軟件可以輕松地在不同的ECU之間移動(dòng)，以避免硬件設(shè)計(jì)的變化。->2、關(guān)于車載功能軟件，對(duì)于不同新增的車輛，容易復(fù)用在AdaptiveAUTOSAR項(xiàng)目中，軟硬件分離的策略給供應(yīng)商和主機(jī)廠帶來了完全新的分工以前，功能總是作為車輛中的物理設(shè)備訂購，而現(xiàn)在可以完全在軟件中購買。這是一種完全不同新的車輛運(yùn)營思路。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能策略，每一個(gè)依據(jù)AdaptiveAUTOSAR功能模塊都是獨(dú)立的二進(jìn)制文件?；谏鲜霾呗裕囕d控制器應(yīng)用軟件獨(dú)立于ECU開發(fā)。這樣就有點(diǎn)像手機(jī)APP啦。因此車輛駕駛員可以通過從應(yīng)用商店安裝其他應(yīng)用程序來成為集成操作人員。這樣的方式也會(huì)帶來其他問題，比如如果道路上的系統(tǒng)發(fā)生故障，誰來負(fù)責(zé)?由于可以在車輛中安裝未經(jīng)測試的應(yīng)用程序組合。這樣的集成方式與傳統(tǒng)車輛V模型以及Classic。AUTOSAR集成方式?jīng)_突不一致，以往所有上車的功能都經(jīng)過層層測試。為避免測試所有應(yīng)用程序組合，必須保證應(yīng)用程序之間的自由不受干擾，獨(dú)立運(yùn)行。商業(yè)操作系統(tǒng)可以保證不會(huì)超過安全相關(guān)應(yīng)用程序的內(nèi)存限制。他們?yōu)榇四康奶峁┝擞驳膶?shí)時(shí)調(diào)度方法。為了安全期間這需要為應(yīng)用程序定義內(nèi)存限制和最壞情況執(zhí)行時(shí)間（WCET）?；谶@樣的運(yùn)行機(jī)制，由于沒有與硬件的直接交五，因此由中斷負(fù)載變化引起的與時(shí)間相關(guān)的副作用不再顯著。當(dāng)然，這種努力只適用于與安全相關(guān)的應(yīng)用。使用虛擬機(jī)管理程序可以并行運(yùn)行具有不同動(dòng)態(tài)和安全性的系統(tǒng)。OM應(yīng)用程序可以位于系統(tǒng)中更加動(dòng)態(tài)和類似T的分區(qū)中，也可以使用開源軟件。但是，在與安全相關(guān)的分區(qū)中，建議謹(jǐn)慎，因?yàn)闊o法以必要的速度消除軟件錯(cuò)誤和安全漏洞。另外，