汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)完善車載網(wǎng)絡(luò)和ECU設(shè)計

　　自2003年成立以來，AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）聯(lián)盟便一直致力于改變車載網(wǎng)絡(luò)和電子控制單元（ECU）的設(shè)計方式。AUTOSAR為原始設(shè)備制造商（OEM）及其一級供貨商提供了一種產(chǎn)業(yè)的標準方法，以設(shè)計和開發(fā)位于現(xiàn)代車輛中心的ECU。該標準將有助于減少設(shè)計過程中人為錯誤的產(chǎn)生，并為供貨商和制造商提供一種明確且機器也可讀取的數(shù)據(jù)格式，以交換設(shè)計信息。本文將探討AUTOSAR采用戰(zhàn)略的一些的預(yù)期商業(yè)效益，并解釋了一些基本術(shù)語和設(shè)計方法。

　　AUTOSAR聯(lián)盟的會員包括汽車OEM以及由零部件和服務(wù)供貨商組成的支持性生態(tài)系統(tǒng)。該聯(lián)盟的宗旨是針對汽車電氣/電子（E/E）架構(gòu)創(chuàng)造和建立全球性的開放標準。該標準在車輛架構(gòu)級別提供支持，讓OEM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員能設(shè)計和管理車輛功能之間的復(fù)雜關(guān)系，并且還支持供貨商在制造之前詳細定義獨立ECU接口的細節(jié)。

　　為何改用AUTOSAR？

　　一款現(xiàn)代化豪華汽車可能包含多達100個ECU，包括從簡單的傳感器接口到復(fù)雜的娛樂信息及遠程信息單元。將它們一次全部改用AUTOSAR方法和標準的風險很高，但原始設(shè)備制造商和一級供貨商做出這樣的改變會帶帶來許多的效益。預(yù)計到2020年，所有車輛都將擁有一些基于AUTOSAR的ECU，因此不可忽視該標準的存在。

　　改用AUTOSAR的一些原因和效益包括：

　　能在新的汽車平臺和架構(gòu)中更好地重新使用電子控制單元

　　能更好地使用預(yù)先驗證和測試過的軟件組件（代表車輛功能）

　　能減少下游設(shè)計錯誤——一套AUTOSAR方法可讓功能在架構(gòu)級別就可定義和驗證

　　通過改善網(wǎng)絡(luò)效率和功能運用而減少整體硬件成本

　　能減少整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析和設(shè)計審查的成本

　　因使用一種標準化的數(shù)據(jù)交換格式（AUTOSARXML或arxml），從而改善了原始設(shè)備制造商和一級供貨商之間的通信

　　不論在整個內(nèi)部設(shè)計周期內(nèi)是否需要對ECU進行重新設(shè)計或改進，改用AUTOSAR可加速設(shè)計調(diào)整。例如新工具的工作流程，或為了有助于保持與ISO26262標準的符合性（conformance），這些都會改變工作的流程，改用AUTOSAR方法可在變更流程時同時導(dǎo)入。不論如何實施調(diào)整，第一個基于AUTOSAR電子控制單元設(shè)計項目所花的時間，都要比現(xiàn)有/傳統(tǒng)設(shè)計流程所花的時間來得更長，這是因為設(shè)計人員需要時間來熟悉新的方法。但隨后即可帶來節(jié)省成本和提升效益的成果。將傳統(tǒng)的ECU資產(chǎn)轉(zhuǎn)向AUTOSAR標準也是有可能的，通過采用“AUTOSAR封裝（AUTOSAR Wrapper）”概念，重要的現(xiàn)有和經(jīng)過證明的電子控制單元應(yīng)用代碼便可重復(fù)使用。使AUTOSAR的封裝能夠?qū)肫渌傾UTOSARECU。這將有助于降低轉(zhuǎn)用AUTOSAR方法的風險。

　　什么是AUTOSAR？

　　就本質(zhì)而言，AUTOSAR提供標準的ECU接口定義，使設(shè)計人員能夠具體指定每個汽車ECU中都需要的可重復(fù)使用之標準化軟件層和組件。該標準不受硬件的影響，這意味著應(yīng)用軟件和硬件平臺是相互獨立的。應(yīng)用軟件開發(fā)人員可在應(yīng)用軟件中明確地說明各個汽車功能的細節(jié)，而不用擔心相關(guān)軟件服務(wù)和硬件接口。過去，軟件和硬件緊密地整合在一起，因此很難實現(xiàn)可移植性和可重復(fù)使用（圖1）。

　　圖1：將應(yīng)用軟件與硬件分開。

　　將設(shè)計與硬件決策分開使車輛生產(chǎn)商/OEM能夠依據(jù)所需的車輛功能進行自上而下的設(shè)計。存在于這個設(shè)計時間的虛擬功能總線（VFB）概念讓所有軟件電子控制單元都能夠?qū)崿F(xiàn)互連和獲得測試。這讓設(shè)計人員可專注于應(yīng)用層，而不是根本的軟件基礎(chǔ)建設(shè)。通過采用虛擬功能總線，應(yīng)用軟件組件（SWC）與其它應(yīng)用軟件組件也相互獨立。軟件組件向虛擬功能總線發(fā)出輸出信號，虛擬功能總線再將信息傳送給目標組件的輸入埠。AUTOSAR定義了輸入和輸出端口，以及交換信息的格式。這種抽離式的（abstracted）方法使得在定義相關(guān)硬件之前可實現(xiàn)所有車輛軟件功能和接口交互驗證。設(shè)計調(diào)整也因此變得容易得多，同時所有功能都被定義成虛擬功能總線上的軟件組件（圖2）。

　　圖2：在虛擬功能總線上測試軟件組件。

　　雖然虛擬功能總線不提供ECU之后在真實車輛中如何分布和互連的信息，但對架構(gòu)設(shè)計時間來說，卻是很有用的測試基準?？蔀檐囕v中的所有信號進行定時檢查和接口定義。

　　一旦設(shè)計人員對各項功能感到滿意，這些功能便會被映像或聚集到特定的硬件電子控制單元中。AUTOSAR可支持軟件組件的映像和聚集流程。一個復(fù)雜的ECU可能包含很多軟件組件，必要時可依照階層式的方式將它們組織起來。

　　圖3：將軟件功能分配給真正的電子控制單元。

　　AUTOSAR運行環(huán)境

　　每個ECU都有為它量身定制的運行環(huán)境（RTE），通?？赏ㄟ^配套的設(shè)計工具來自動創(chuàng)建。真正的電子控制單元之間的實際通信將實現(xiàn)成CAN或Flex Ray總線的一部分，而運行環(huán)境通過產(chǎn)生工具進行配置，以便執(zhí)行相連AUTOSAR組件所需的通信路徑。運行環(huán)境可以切實執(zhí)行虛擬功能總線和架構(gòu)設(shè)計流程的通信和連接拓撲。由于AUTOSAR標準支持很多不同類型的軟件組件，運行環(huán)境必須考慮各種軟件組件存在的限制和變化。

　　為AUTOSAR組件提供服務(wù)——基礎(chǔ)軟件層和操作系統(tǒng)

　　基礎(chǔ)軟件（BSW）是一種標準化軟件，不包含車輛應(yīng)用邏輯和電子控制單元功能，但為運行環(huán)境提供依賴硬件和獨立于硬件的服務(wù)。所需的服務(wù)包括內(nèi)存服務(wù)（NVRAM管理器）、網(wǎng)絡(luò)通信管理服務(wù)、診斷服務(wù)和狀態(tài)管理。當應(yīng)用層中定義的AUTOSAR軟件組件要求服務(wù)時，運行環(huán)境的任務(wù)是在真正的電子控制單元上完成映像。

　　運行環(huán)境不提供任何可從遠程ECU獲取服務(wù)的機制，AUTOSAR規(guī)范也不允許這樣做。所有服務(wù)要求都必須在“本地”電子控制單元上獲得滿足。在真正的電子控制單元上運行的基本操作系統(tǒng)（OS或OSEK）不知道AUTOSAR“可運行的（runnable）”概念。操作系統(tǒng)擁有一個可調(diào)度活動列表，這些活動通過調(diào)度算法進行管理。

　　關(guān)于硬件

　　AUTOSAR分層軟件架構(gòu)可以分離硬件的應(yīng)用邏輯（application logic），以便重復(fù)利用和可以攜帶（portability）。運行環(huán)境和操作系統(tǒng)與微控制器抽象層（MCAL）相連，MCAL提供了對主微控制器上物理埠和設(shè)備的存取功能。微控制器抽象層是每一微控制器所特有的，使操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件能夠存取數(shù)字輸入/輸出、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、FLASH和EEPROM支持等設(shè)備。圖4說明了AUTOSAR電子控制單元中不同硬件和軟件層之間的關(guān)系。

　　圖4：組件在真正的電子控制單元中如何組裝在一起。

　　支持新方法

　　汽車OEM可以通過一個自上而下的AUTOSAR設(shè)計方法，操作整個網(wǎng)絡(luò)的完整模型。AUTOSAR設(shè)計工具可以讓單一的ECU被提取，且在AUTOSARXML（arxml）中定義了連接性和接口信息。這個接口定義之后將傳給一級供貨商，進行進一步的細節(jié)設(shè)計和實施。由于格式已被標準化，相同的定義可以在公開投標時同時分送給幾個一級供貨商。標準化描述的好處在于在ECU描述中可以避免任何設(shè)計上的模棱兩可，并且隨著AUTOSAR標準的發(fā)展，存在誤解的可能性也越來越小。由于這個標準與硬件無關(guān)，因此能夠更充分地利用新產(chǎn)業(yè)趨勢所帶來的效益，如車內(nèi)以太網(wǎng)、混合技術(shù)車輛網(wǎng)絡(luò)（CAN/Flex ray）、異構(gòu)多核平臺以及車載網(wǎng)關(guān)布置。

　　想要試試看？

　　包括Mentor Graphics在內(nèi)的一些業(yè)者已經(jīng)可為AUTOSAR設(shè)計提供評估套件。這些套件包括架構(gòu)設(shè)計到單個ECU配置。Mentor Graphics還擁有其VSX工具套件以及支持CAN、Flex Ray、LIN和以太網(wǎng)的ECU硬件開發(fā)板。這些工具以Eclipse為基礎(chǔ)，利用開源工具鏈進行從源代碼到運行實施的一系列設(shè)計。相對于大規(guī)模地將車內(nèi)ECU一次就完全改到AUTOSAR方法來說，低風險調(diào)查和AUTOSAR試驗更為可取。

　　AUTOSAR為車載網(wǎng)絡(luò)和ECU設(shè)計提供預(yù)定義的標準方法，找到了進入每家汽車OEM和一級機構(gòu)的方式。AUTOSAR標準提供了改善工藝和重新利用組件的機會，但是也帶來了學(xué)習(xí)新ECU設(shè)計流程和工具的挑戰(zhàn)。AUTOSAR的早期采用者一直都在把這些知識傳給主流的設(shè)計和資源，而現(xiàn)今市面上也有多款可用于量產(chǎn)的工具。AUTOSAR的采用還可協(xié)助業(yè)者達到功能安全標準ISO26262的要求，因為它支持一個可重復(fù)、定義明確、且自上而下的設(shè)計流程。