汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課件 第一章 汽車嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)概述

第1章汽車嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)概述2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)11.1嵌入式系統(tǒng)概述1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義與組成1．嵌入式系統(tǒng)的定義我國(guó)GB/T22033-2017《信息技術(shù)——嵌入式系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)》中對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義是：“置入應(yīng)用對(duì)象內(nèi)部，起信息處理或控制作用的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！笨梢?jiàn)，嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字功能與接口的設(shè)備，如電子手表、微波爐、空調(diào)、洗衣機(jī)、智能電飯煲、錄像機(jī)、汽車、電動(dòng)自行車、巡航導(dǎo)彈、跑步機(jī)、GPS接收模塊等，都使用了嵌入式系統(tǒng)，尤其像汽車等復(fù)雜系統(tǒng)為了滿足各種特定功能的需求采用很多套嵌入式系統(tǒng)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2從應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：“以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！鼻度胧较到y(tǒng)所用的計(jì)算機(jī)：嵌入到被控對(duì)象中的專用微處理器，功能比通用計(jì)算機(jī)專門化，具有通用計(jì)算機(jī)所不具備的專門性能和功用，是針對(duì)某個(gè)方面特別設(shè)計(jì)的、合適的運(yùn)算速度、高可靠性和較低成本的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)形式：（1）單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯（大多數(shù)）（2）包含操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)（少部分）2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)32．嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)是專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，同樣遵循馮·諾依曼提出的“程序存儲(chǔ)”和“程序控制”計(jì)算機(jī)基本工作原理，其內(nèi)部也采用計(jì)算機(jī)經(jīng)典結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)4圖1-1計(jì)算機(jī)經(jīng)典結(jié)構(gòu)示意圖中央處理器（CPU，CentralProcessingUnit）是計(jì)算機(jī)的核心，是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算和指揮控制中心，由運(yùn)算器、控制器、寄存器組等組成。運(yùn)算器的核心是算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU，ArithmeticandLogicUnit），它以加法器為基礎(chǔ)，輔以移位寄存器和相應(yīng)的控制邏輯組合而成，在控制信號(hào)的作用下完成加、減、乘、除、各種邏輯運(yùn)算等操作。控制器（CU，ControlUnit）一般由指令寄存器、指令譯碼器和操作控制電路組成，是處理器的指揮控制中心，協(xié)調(diào)處理器有序工作，根據(jù)時(shí)序產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，協(xié)調(diào)各部件工作。寄存器（R，Registers）是處理器內(nèi)部若干個(gè)存儲(chǔ)單元。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)5嵌入式系統(tǒng)裝置一般由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和感知元件、執(zhí)行裝置組成，其基本架構(gòu)見(jiàn)圖1-2所示。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)6圖1-2嵌入式系統(tǒng)的基本架構(gòu)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要有硬件層、中間層和系統(tǒng)軟件層等幾部分組成。（1）硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器，存儲(chǔ)器（SDRAM、ROM、Flash、EEPROM等），通用設(shè)備通信接口（SCI、SPI、IIC、CAN、LAN等）和輸入輸出接口（I/O、A/D、D/A、C/T等）。1）嵌入式微處理器嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心，與通用CPU最大的區(qū)別在于它大多工作在為特定用戶群專用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)趨于小型化，同時(shí)還具有很高的效率和可靠性。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)72）存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序。嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包含主存和輔存。主存可以被嵌入式微處理器直接訪問(wèn)，用來(lái)存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)；輔存用來(lái)存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大、但讀取速度與主存相比要慢很多，一般用來(lái)長(zhǎng)期保存用戶的信息。3）通用設(shè)備通信接口和通用輸入輸出接口通用設(shè)備通信接口和輸入輸出接口是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和外界交互的接口，通過(guò)與外部其他設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器等連接來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)8（2）中間層硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（HAL，HardwareAbstractLayer）或板級(jí)支持包（BSP，BoardSupportPackage）,它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序與硬件無(wú)關(guān)，上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。BSP具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：①硬件相關(guān)性：因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，而作為上層軟件與硬件平臺(tái)之間的接口，BSP需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。②操作系統(tǒng)相關(guān)性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)9系統(tǒng)初始化過(guò)程可以分為3個(gè)主要環(huán)節(jié)，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級(jí)初始化、板級(jí)初始化和系統(tǒng)級(jí)初始化。片級(jí)初始化：完成嵌入式微處理器的初始化，包括設(shè)置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。板級(jí)初始化：完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。系統(tǒng)初始化：該初始化過(guò)程以軟件初始化為主，主要進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)10與硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序是BSP設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過(guò)程中由BSP將他們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作。（3）軟件層軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS，Real-TimeOperationSystem）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（GUI，GraphicUserInterface）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)111.1.2嵌入式系統(tǒng)的分類1．嵌入式系統(tǒng)根據(jù)復(fù)雜程度分:（1）小型嵌入式系統(tǒng)采用8位（如采用MCS-51系列單片機(jī)）或者16位的微控制器（MCU，MicroControllerUnit）設(shè)計(jì)，應(yīng)用對(duì)象的要求較低、功能較簡(jiǎn)單，控制邏輯也不復(fù)雜。（2）中型嵌入式系統(tǒng)采用16位或者32位的微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP，DigitalSignalProcessor）或者精簡(jiǎn)指令集RISC計(jì)算機(jī)等設(shè)計(jì)，硬件和軟件復(fù)雜度都比較大。（3）復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)其軟件和硬件都非常復(fù)雜，需要可升級(jí)的處理器或者可配置的處理器和可編程邏輯陣列（如FPGA、CPLD等器件）。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)12由于嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，因此，也可以從硬件和軟件方面進(jìn)行分類。2．嵌入式系統(tǒng)根據(jù)硬件（嵌入式處理器）分類（1）嵌入式微處理器（MPU，MicroMicro-ProcessorUnit）（2）嵌入式微控制器（MCU，Micro-ControllerUnit）（3）嵌入式DSP處理器（EDSP，EmbeddedDigitalSignalProcessor）（4）嵌入式片上系統(tǒng)（SoC，SystemonChip）2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)133．嵌入式系統(tǒng)根據(jù)軟件（操作系統(tǒng)）分類（1）實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)又分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)兩類。（2）分時(shí)系統(tǒng)4．嵌入式系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用形態(tài)分類（1）由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯（2）帶有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)14一般帶有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）可裁剪性。支持開(kāi)放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。2）強(qiáng)實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性一般較強(qiáng)，可用于各種設(shè)備控制中。3）統(tǒng)一的接口。提供設(shè)備統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)接口。4）操作方便、簡(jiǎn)單、提供友好的圖形GUI和圖形界面，追求易學(xué)易用。5）提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問(wèn)層接口，為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備預(yù)留接口。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)156）強(qiáng)穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開(kāi)始運(yùn)行就不需要用戶過(guò)多的干預(yù)、這就要求系統(tǒng)管理的穩(wěn)定性要強(qiáng)。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。7）固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的ROM中。8）更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性。9）嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，應(yīng)具有較長(zhǎng)的生命周期。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)161.1.3嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史1．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展方向及其產(chǎn)品（1）面向科學(xué)運(yùn)算和海量數(shù)據(jù)處理的超級(jí)計(jì)算機(jī)或服務(wù)器。（2）面向個(gè)人應(yīng)用的PC（PersonComputer）計(jì)算機(jī)（3）面向嵌入式應(yīng)用的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2．嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷（1）初級(jí)階段（單芯片微機(jī)形成階段）（2）成熟階段（性能完善提高階段）（3）高速發(fā)展階段（微控制器化階段）2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)17嵌入式系統(tǒng)將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)嵌入到對(duì)象體系中，是實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。不同于通用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，嵌入式系統(tǒng)采用了系統(tǒng)芯片化的獨(dú)立發(fā)展道路，力求將CPU、各類存儲(chǔ)器、各種接口在內(nèi)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)181.1.4嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常廣泛，占據(jù)著電子產(chǎn)業(yè)神經(jīng)中樞的地位，其應(yīng)用可謂“無(wú)所不在，無(wú)所不為”。（1）智能交通（2）環(huán)境工程與自然（3）機(jī)器人（4）工業(yè)控制（5）智能汽車（6）網(wǎng)絡(luò)管理（7）智能醫(yī)療（8）智慧家庭2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)191.1.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)信息時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機(jī)，為嵌入式系統(tǒng)的市場(chǎng)展現(xiàn)了美好的前景，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)，未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢(shì)：1）嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)，同時(shí)還需要提供強(qiáng)大的硬件開(kāi)發(fā)工具和軟件包支持。2）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢(shì)。未來(lái)的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，必然要求硬件上提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)203）網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一功能的設(shè)備如電話、手機(jī)、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。這就要求芯片設(shè)計(jì)廠商在芯片上集成更多的功能，為了滿足應(yīng)用功能的升級(jí)。4）精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。未來(lái)的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了減低功耗和成本，需要設(shè)計(jì)者盡量精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件，利用最低的資源實(shí)現(xiàn)最適當(dāng)?shù)墓δ堋?）提供友好的多媒體人機(jī)界面。嵌入式設(shè)備能與用戶親密接觸，最重要的因素是它能提供非常友好的用戶界面，使得嵌入式軟件設(shè)計(jì)者要在圖形界面、多媒體技術(shù)上多下苦功。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)211.2汽車嵌入式系統(tǒng)概述汽車是全球經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)更新越來(lái)越慢，隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化等技術(shù)的發(fā)展，汽車電子技術(shù)得到迅猛發(fā)展與普及，給汽車的技術(shù)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。眾所周知嵌入式系統(tǒng)具有體積小、低功耗、集成度高、子系統(tǒng)間能通信融合的優(yōu)點(diǎn)，這就決定了它非常適合應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域。目前，車身控制、底盤控制、發(fā)動(dòng)機(jī)管理、主被動(dòng)安全系統(tǒng)、車載娛樂(lè)、信息系統(tǒng)都離不開(kāi)嵌入式技術(shù)的支持。嵌入式技術(shù)使汽車更安全、更節(jié)能、更環(huán)保、更舒適、更智能、控制更精準(zhǔn)，將駕駛員從繁雜緊張的駕駛作業(yè)中不斷解放出來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。嵌入式系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)汽車智能化和無(wú)人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)引入汽車行業(yè)后，給汽車行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的方向，同時(shí)汽車行業(yè)的不斷發(fā)展也促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，從其中總結(jié)出的開(kāi)發(fā)方法、體系結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)流程是值得各種嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)借鑒的。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)221.2.1汽車電子系統(tǒng)劃分汽車電子系統(tǒng)的劃分如圖1-3所示，汽車電子產(chǎn)品可分為兩大類：1）汽車電子控制裝置。包括動(dòng)力總成控制系統(tǒng)、底盤和車身電子控制系統(tǒng)、乘坐舒適和防盜系統(tǒng)。2）車載汽車電子裝置。包括汽車信息系統(tǒng)（車載電腦）、導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車視聽(tīng)娛樂(lè)系統(tǒng)、車載通信系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡(luò)等。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)23圖1-3汽車電子系統(tǒng)1.2.2汽車嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的三個(gè)階段第一階段：SCM（SingleChipMicrocomputer）單片機(jī)系統(tǒng)。以4位和低檔8位微處理器為核心，將CPU和外圍電路集成到一個(gè)芯片上，配置了外部并行總線、串行通訊接口、SFR模塊和布爾指令系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)單一、處理效率低、存儲(chǔ)容量小、軟件結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，不需要嵌入操作系統(tǒng)。這種底層的汽車SCM系統(tǒng)主要用于任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理量小和實(shí)時(shí)性要求不高的控制場(chǎng)合，如雨刷、車燈系統(tǒng)、儀表盤以及電動(dòng)門窗等。第二階段：MCU（MicroControllerUnit）微控制器系統(tǒng)。以高檔的8位和16位處理器為核心，集成了較多外部接口功能單元，如A/D轉(zhuǎn)換、PWM、Watchdog、高速I/O口等，配置了芯片間的串行總線，軟件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，程序數(shù)據(jù)量有明顯增加。第二代汽車嵌入式系統(tǒng)能夠完成簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)任務(wù)，目前在汽車電控系統(tǒng)中已得到最廣泛的應(yīng)用，如ABS系統(tǒng)、智能安全氣囊、主動(dòng)懸架以及發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)EMS（EngineManagementSystem）等。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)24第三階段：SoC（SystemonChip）系統(tǒng)。以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心，在對(duì)海量離散時(shí)間信號(hào)要求快速處理的場(chǎng)合使用DSP作為協(xié)處理器。為滿足汽車系統(tǒng)不斷擴(kuò)展的嵌入式應(yīng)用需求，不斷提高處理速度，增加存儲(chǔ)容量與集成度。在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下具有實(shí)時(shí)多任務(wù)處理能力，同時(shí)與網(wǎng)絡(luò)的耦合更為緊密。汽車SoC系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在汽車電子上的高端應(yīng)用，滿足了現(xiàn)代汽車電控系統(tǒng)功能不斷擴(kuò)展、邏輯漸趨復(fù)雜、子系統(tǒng)間通信頻率不斷提高的要求，代表著汽車電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。汽車嵌入式SoC系統(tǒng)主要應(yīng)用在混合動(dòng)力總成、汽車復(fù)雜ADAS系統(tǒng)、無(wú)人駕駛、底盤綜合控制、汽車定位導(dǎo)航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等領(lǐng)域。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)25汽車嵌入式SoC系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)向?qū)崟r(shí)多任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)耦合與通信的高端應(yīng)用過(guò)渡的產(chǎn)物，大大提高了汽車電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和智能化程度。除了具備普通嵌入式系統(tǒng)的共有特性之外，還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)處理有很強(qiáng)的支持能力，中斷響應(yīng)時(shí)間1~2μs；2）具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能；3）在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下能合理進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，利用系統(tǒng)資源；2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)264）硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能都有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，系統(tǒng)集成度大大提高；5）超低功耗，靜態(tài)功耗為毫瓦級(jí)；6）系統(tǒng)硬件抗干擾能力增強(qiáng)，適應(yīng)高溫、潮濕、振動(dòng)和輻射等各種工作環(huán)境；7）提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件，提供容錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸能力和更大通信帶寬。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)271.2.3基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分布式汽車嵌入式系統(tǒng)汽車集成了大量的嵌入式系統(tǒng)，包括各類傳感器、各類執(zhí)行器、大量不同架構(gòu)的微處理器和控制器。帶來(lái)一系列問(wèn)題：1）整車布線十分復(fù)雜、凌亂；2）有限的汽車空間限制了功能的擴(kuò)展；3）電路的復(fù)雜性大大降低了汽車電子與控制系統(tǒng)的可靠性；4）維護(hù)維修非常困難、麻煩，增加了維修的難度。為了使汽車復(fù)雜多嵌入式電子系統(tǒng)能夠在一個(gè)共同的環(huán)境下協(xié)調(diào)工作，減少導(dǎo)線數(shù)量、進(jìn)步降低成本、提高電信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕囕d嵌入式系統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)282023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)292023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)30為了使汽車復(fù)雜多嵌入式電子系統(tǒng)能夠在一個(gè)共同的環(huán)境下協(xié)調(diào)工作，減少導(dǎo)線數(shù)量、進(jìn)步降低成本、提高電信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，車載嵌入式系統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。伴隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)以及通信技術(shù)的發(fā)展，汽車嵌入式系統(tǒng)經(jīng)歷了中央計(jì)算機(jī)集中控制、多嵌入式系統(tǒng)分散控制和多嵌入式系統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)控制三個(gè)階段。目前車載網(wǎng)絡(luò)的主流協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)分為以下幾種。（1）中速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（2）低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（3）多媒體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)31（1）中速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)在各種汽車網(wǎng)絡(luò)中，CAN(ControllerAreaNetwork)控制器局域網(wǎng)絡(luò)以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)、優(yōu)異的性能和極高的可靠性得到了最為廣泛的應(yīng)用。CAN是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。其特點(diǎn)有：1）數(shù)據(jù)通信沒(méi)有主從之分，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向任何其他（一個(gè)或多個(gè)）節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息優(yōu)先級(jí)先后順序來(lái)決定通信次序；2）多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的避讓優(yōu)先級(jí)高的，不會(huì)對(duì)通信線路造成擁塞；2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)323）通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率低于5Kbit/sbps）、通信速率可達(dá)到1Mbit/sbps（通信距離小于40m）；4）CAN總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量短距離通信或者長(zhǎng)距離小數(shù)據(jù)量，實(shí)時(shí)性要求比較高，多主多從或者各個(gè)節(jié)點(diǎn)平等的現(xiàn)場(chǎng)中使用。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)33（2）低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN，LocalInterconnectNetwork）就是為適應(yīng)不需要CAN這樣高速率和高可靠性的通信的一些控制而設(shè)計(jì)的低成本解決方案。LIN協(xié)議已經(jīng)成為汽車低端控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。LIN標(biāo)準(zhǔn)包括了傳輸協(xié)議的定義、傳輸媒質(zhì)、開(kāi)發(fā)工具間的接口、以及和軟件應(yīng)用程序間的接口。LIN提升了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性，并且無(wú)論從硬件還是軟件角度而言，都為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供了相互操作性，并可預(yù)見(jiàn)獲得更好的EMC（電磁兼容）特性。LIN補(bǔ)充了當(dāng)前的車輛內(nèi)部多重網(wǎng)絡(luò)，并且為實(shí)現(xiàn)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)提供了條件，這可以有助于車輛獲得更好的性能，并降低成本。LIN協(xié)議致力于滿足分布式系統(tǒng)中快速增長(zhǎng)的對(duì)軟件的復(fù)雜性、可實(shí)現(xiàn)性、可維護(hù)性所提出的要求，它將通過(guò)提供一系列高度自動(dòng)化的工具鏈來(lái)滿足這一要求。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)34（3）多媒體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)汽車除了面向控制的嵌入式系統(tǒng)以外，還有其他多種面向信息及娛樂(lè)的設(shè)備，這些設(shè)備之間的通信需要更大的信息量，因此其互連需要更高速的通信協(xié)議。面向媒體系統(tǒng)的傳輸協(xié)議（MOST，MediaOrientedSystemTransport）是目前車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)普遍接受的高速通信協(xié)議。MOST網(wǎng)絡(luò)以光纖為載體，通常是環(huán)型拓?fù)洹OST可提供高達(dá)25Mbit/sbps的集合帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)，也就是說(shuō)，可以同時(shí)播放15個(gè)不同的音頻流。因此，MOST網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)35（4）高安全性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)汽車線控系統(tǒng)（X-by-Wire）使傳統(tǒng)的汽車機(jī)械系統(tǒng)（如制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等駕駛系統(tǒng)）變成通過(guò)高速容錯(cuò)通信總線與高性能CPU相連的電子系統(tǒng)。這些涉及汽車主動(dòng)安全控制的系統(tǒng)對(duì)于通信的實(shí)時(shí)性、可靠性方面要求極高，在高安全性的系統(tǒng)中，CAN缺乏必要的確定性、同步性和容錯(cuò)性，因此在此類應(yīng)用中，傳統(tǒng)的CAN總線系統(tǒng)不再適用。為了滿足線控汽車設(shè)計(jì)的要求出現(xiàn)了FlexRay、TTCAN和TTP等新一代汽車主干通信網(wǎng)絡(luò)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)36新一代汽車主干通信網(wǎng)絡(luò)FlexRay的優(yōu)點(diǎn)：FlexRay可以為下一代的車內(nèi)控制系統(tǒng)提供所需的速度和可靠性。FlexRay兩個(gè)信道上的數(shù)據(jù)速率最大可達(dá)到10Mbit/s，總數(shù)據(jù)速率可達(dá)到20Mbit/s。FlexRay具備的冗余通信能力可實(shí)現(xiàn)通過(guò)硬件完全復(fù)制網(wǎng)絡(luò)配置，并進(jìn)行進(jìn)度監(jiān)測(cè)。FlexRay提供靈活的配置，可支持各種拓?fù)洌缈偩€、星型和混合拓?fù)?。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)結(jié)合兩種或兩種以上的該類型拓?fù)鋪?lái)配置分布式系統(tǒng)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)37FlexRay可以進(jìn)行同步（實(shí)時(shí)）和異步的數(shù)據(jù)傳輸，來(lái)滿足車輛中各種系統(tǒng)的需求。譬如說(shuō)，分布式控制系統(tǒng)通常要求同步數(shù)據(jù)傳輸。FlexRay在每個(gè)通信周期內(nèi)都提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)通信段。靜態(tài)通信段可以提供有界延遲，而動(dòng)態(tài)通信段則有助于滿足在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的不同帶寬需求。FlexRay幀的固定長(zhǎng)度靜態(tài)段用固定時(shí)間觸發(fā)的方法來(lái)傳輸信息，而動(dòng)態(tài)段則使用靈活時(shí)間觸發(fā)的方法來(lái)傳輸信息。FlexRay不僅可以像CAN和LIN網(wǎng)絡(luò)這樣的單信道系統(tǒng)一般運(yùn)行，而且還可以作為一個(gè)雙信道系統(tǒng)運(yùn)行。雙信道系統(tǒng)可以通過(guò)冗余網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)——這也是高可靠系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)38BMW已經(jīng)在X5車型中有5個(gè)ECU（電控主控懸架系統(tǒng)等）應(yīng)用了FlexRay通訊技術(shù)。隨著汽車局域網(wǎng)技術(shù)和智能交通技術(shù)的發(fā)展，汽車嵌入式系統(tǒng)將會(huì)形成以C級(jí)或D級(jí)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的整車分布式控制系統(tǒng)和以無(wú)線通信為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程高頻網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。圖1-4是目前常用汽車常用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的成本對(duì)速度對(duì)比。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)39圖1-4汽車用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)成本與傳輸速度對(duì)比1.2.4面向汽車嵌入式系統(tǒng)的體系架構(gòu)1．汽車嵌入式系統(tǒng)的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)體系汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)，早期由于汽車電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)手段的相對(duì)落后和認(rèn)識(shí)的制約，汽車嵌入式系統(tǒng)基本上是圍繞單一功能的ECU的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)流程大多是自發(fā)且不成系統(tǒng)。傳統(tǒng)基于代碼的汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)大致流程如圖1-5所示。傳統(tǒng)的汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)兩部分，再加上一些必要的試驗(yàn)驗(yàn)證等。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)402023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)41圖1-5傳統(tǒng)汽車ECU開(kāi)發(fā)流程傳統(tǒng)汽車ECU開(kāi)發(fā)流程存在以下不足：（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤不易發(fā)現(xiàn)；（2）排除錯(cuò)誤花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)；（3）軟件與硬件協(xié)同調(diào)試?yán)щy；（4）系統(tǒng)仿真階段和實(shí)現(xiàn)階段脫離；（5）移植性差。2．汽車嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)代開(kāi)發(fā)體系2003年9月德國(guó)的汽車制造商和汽車電子產(chǎn)品供應(yīng)商成立了汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)AUTOSAR（AUTOmotiveOpenSystemARchitecture）組織，旨在推動(dòng)建立汽車電氣/電子（E/E）架構(gòu)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，使其成為汽車嵌入式應(yīng)用功能管理的基礎(chǔ)架構(gòu)，并規(guī)范汽車電子產(chǎn)品、軟件和元器件的互通性。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)42AUTORAR的產(chǎn)生原因與實(shí)施方法（2）AUTOSAR采取的主要技術(shù)1）標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范交換格式；2）基礎(chǔ)軟件核；3）微控制器抽象；4）運(yùn)行時(shí)環(huán)境；5）接口標(biāo)準(zhǔn)化。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)43（1）AUTOSAR的主要驅(qū)動(dòng)力1）管理隨著功能的不斷提升、復(fù)雜程度不斷增加的E/E設(shè)備；2）提高產(chǎn)品更改、升級(jí)和更新的靈活性；3）提升生產(chǎn)線內(nèi)或者跨生產(chǎn)線的可度量性；4）提升E/E系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性；5）能夠在早期設(shè)計(jì)階段檢測(cè)錯(cuò)誤。AUTOSAR是面向汽車工業(yè)的通用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的接口、高質(zhì)量的無(wú)縫集成、高效的開(kāi)發(fā)以及通過(guò)新的模型來(lái)管理復(fù)雜的系統(tǒng)。AUTOSAR定義一個(gè)軟件架構(gòu)以支持汽車電子系統(tǒng)的集成。其體系架構(gòu)從上至下依次為應(yīng)用層、運(yùn)行環(huán)境層（RTE，Run-TimeEnvironment）、系統(tǒng)服務(wù)層、ECU抽象層和微控制器抽象層以及復(fù)雜驅(qū)動(dòng)模塊，一般情況下，每一層只能使用下一層的接口，并向上一層提供服務(wù)接口。圖1-6為AUTOSAR的體系架構(gòu)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)44應(yīng)用層運(yùn)行環(huán)境層系統(tǒng)服務(wù)層ECU抽象層微控制器抽象層復(fù)雜驅(qū)動(dòng)模塊2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)45AUTOSAR方法論的開(kāi)發(fā)涉及系統(tǒng)級(jí)、ECU級(jí)和軟件組件級(jí)。系統(tǒng)級(jí)主要考慮系統(tǒng)功能需求、硬件資源、系統(tǒng)約束，然后建立系統(tǒng)架構(gòu)；ECU級(jí)根據(jù)抽象后的信息對(duì)ECU進(jìn)行配置；系統(tǒng)級(jí)和ECU級(jí)設(shè)計(jì)的同時(shí)，伴隨著軟件組件級(jí)的開(kāi)發(fā)。上述每個(gè)環(huán)節(jié)都有良好的通信接口，并使用統(tǒng)一的arxml（AUTOSAReXtensibleMarkupLanguage）描述文件，以此構(gòu)建了AUTOSAR方法論。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)461.2.5面向汽車嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法汽車電子產(chǎn)品是軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)。為了節(jié)約資源，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，一般應(yīng)采取軟硬件同步開(kāi)發(fā)的方案。汽車電子產(chǎn)品的軟件開(kāi)發(fā)分為功能描述、軟件設(shè)計(jì)、代碼生成、操作系統(tǒng)環(huán)境下的高級(jí)調(diào)試等步驟。汽車電子產(chǎn)品的硬件開(kāi)發(fā)分為硬件描述、硬件設(shè)計(jì)、硬件調(diào)試等步驟。當(dāng)軟件設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)使用相應(yīng)的工具，完成在虛擬ECU平臺(tái)上的驗(yàn)證。當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成后，與硬件一起進(jìn)行軟硬件集成調(diào)試。1．汽車電子產(chǎn)品軟件開(kāi)發(fā)方法隨著汽車嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)間和空間的跨度也相應(yīng)變大，基于模型的開(kāi)發(fā)方法（MBD，Model-BasedDevelopment）也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)47MBD的應(yīng)用與優(yōu)點(diǎn)基于模型的軟件設(shè)計(jì)方法是一種以模型為中心的軟件設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)采用特定的建模語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，抽象出軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題，并描述系統(tǒng)的解決方案；通過(guò)采用形式化的工具對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性?；谀Ｐ偷拈_(kāi)發(fā)方法在汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中主要用于四個(gè)方面：概念設(shè)計(jì)與交流；設(shè)計(jì)信息的文檔化與管理；系統(tǒng)分析；系統(tǒng)綜合?；谀Ｐ偷拈_(kāi)發(fā)方法的優(yōu)勢(shì)所在：精確簡(jiǎn)明的對(duì)象描述；文檔的管理、分析和綜合簡(jiǎn)單；產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短；設(shè)計(jì)成本低；產(chǎn)品質(zhì)量高。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)482．開(kāi)發(fā)流程主要的開(kāi)發(fā)流程模型有：（1）V模型如圖1-7，“V”形開(kāi)發(fā)流程分為五個(gè)階段：需求定義與功能設(shè)計(jì)快速控制原型（RCP，RapidControlPrototype）目標(biāo)代碼生成硬件在環(huán)（HIL，HardwareInLoop）測(cè)試與標(biāo)定2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)49圖1-7汽車控制類電子產(chǎn)品軟件開(kāi)發(fā)V流程V模式開(kāi)發(fā)流程的特點(diǎn)：無(wú)論進(jìn)行開(kāi)發(fā)、編程或測(cè)試總是在同一環(huán)境下工作，開(kāi)發(fā)過(guò)程的每一步都可以得到驗(yàn)證，使用這一方法最直接的效果就是加速和簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程。從功能分析的角度而言，V模式的開(kāi)發(fā)流程可以分為功能分解和功能集成2個(gè)部分:V模式的左側(cè)（從功能設(shè)計(jì)到自動(dòng)代碼生成）表示的是系統(tǒng)功能的分析和分解;V模式的右側(cè)（從自動(dòng)代碼生成到標(biāo)定）表示的是系統(tǒng)功能的整合和綜合。V模型中的過(guò)程從左到右，描述了基本的開(kāi)發(fā)過(guò)程和測(cè)試行為。V模型的價(jià)值在于它非常明確地標(biāo)明了測(cè)試過(guò)程中存在的不同級(jí)別，并且清楚地描述了這些測(cè)試階段和開(kāi)發(fā)過(guò)程期間各階段的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其局限性為：把測(cè)試作為編碼之后的最后一個(gè)活動(dòng)，需求分析等前期產(chǎn)生的錯(cuò)誤直到后期的驗(yàn)收測(cè)試才能發(fā)現(xiàn)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)50（2）W模型V模型的局限性在于沒(méi)有明確地說(shuō)明早期的測(cè)試，無(wú)法體現(xiàn)“盡早地和不斷地進(jìn)行軟件測(cè)試”的原則。在V模型中增加軟件各開(kāi)發(fā)階段應(yīng)同步進(jìn)行的測(cè)試，演化為W模型，見(jiàn)圖1-8。在模型中不難看出，開(kāi)發(fā)是“V”，測(cè)試是與此并行的“V”。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)51圖1-8W模式開(kāi)發(fā)流程W模型是V模型的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)的是測(cè)試伴隨著整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)周期，而且測(cè)試的對(duì)象不僅僅是程序，需求、功能和設(shè)計(jì)同樣要測(cè)試。測(cè)試與開(kāi)發(fā)是同步進(jìn)行的，從而有利于盡早地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。W模型也有局限性：W模型和V模型都把軟件的開(kāi)發(fā)視為需求、設(shè)計(jì)、編碼等一系列串行的活動(dòng)，無(wú)法支持迭代、自發(fā)性以及變更調(diào)整。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)52（3）X模型X模型也是對(duì)V模型的改進(jìn)X模型的左邊描述的是針對(duì)單獨(dú)程序片段進(jìn)行的相互分離的編碼和測(cè)試，此后進(jìn)行頻繁的交接，通過(guò)集成最終成為可執(zhí)行的程序，然后再對(duì)這些可執(zhí)行程序進(jìn)行測(cè)試。已經(jīng)通過(guò)集成測(cè)試的成品可以進(jìn)行封裝并提交給用戶，也可以作為更大規(guī)模和范圍內(nèi)集成的一部分。多根并行的曲線表示變更可以在各個(gè)部分發(fā)生。見(jiàn)圖1-9。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)53X模型還定位了探索性測(cè)試，這是不進(jìn)行事先計(jì)劃的特殊類型的測(cè)試，這一方式往往能幫助有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試人員在測(cè)試計(jì)劃之外發(fā)現(xiàn)更多的軟件錯(cuò)誤。但這樣可能對(duì)測(cè)試造成人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)，對(duì)測(cè)試員的熟練程度要求比較高。（4）H模型H模型中，軟件測(cè)試過(guò)程活動(dòng)完全獨(dú)立，貫穿于整個(gè)產(chǎn)品的周期，與其他流程并發(fā)地進(jìn)行，某個(gè)測(cè)試點(diǎn)準(zhǔn)備就緒時(shí)，就可以從測(cè)試準(zhǔn)備階段進(jìn)行到測(cè)試執(zhí)行階段。軟件測(cè)試可以盡早的進(jìn)行，并且可以根據(jù)被測(cè)物的不同而分層次進(jìn)行，見(jiàn)圖1-10。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)54圖1-10開(kāi)發(fā)流程的H模型H模型揭示了一個(gè)原理：軟件測(cè)試是一個(gè)獨(dú)立的流程，貫穿產(chǎn)品整個(gè)生命周期，與其他流程并發(fā)地進(jìn)行。H模型指出軟件測(cè)試要盡早準(zhǔn)備，盡早執(zhí)行。不同的測(cè)試活動(dòng)可以是按照某個(gè)次序先后進(jìn)行的，但也可能是反復(fù)的，只要某個(gè)測(cè)試達(dá)到準(zhǔn)備就緒點(diǎn)，測(cè)試執(zhí)行活動(dòng)就可以開(kāi)展。1.2.6面向汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工具鏈汽車電子與嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在控制系統(tǒng)建模、代碼自動(dòng)生成、硬件在環(huán)仿真測(cè)試、系統(tǒng)標(biāo)定等環(huán)節(jié)，已經(jīng)形成了體系比較完備的開(kāi)發(fā)工具鏈。表1-1是現(xiàn)階段主要的面向AUTOSAR的開(kāi)發(fā)工具。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)55工具軟件：1．控制系統(tǒng)建模MATLAB/Simulink、StateflowMATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，Simulink提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境；Stateflow是一個(gè)基于有限狀態(tài)機(jī)和流程圖來(lái)構(gòu)建組合和時(shí)序邏輯決策模型并進(jìn)行仿真的環(huán)境。2．硬件在環(huán)仿真工具dSPACEdSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無(wú)縫連接。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)563．汽車網(wǎng)絡(luò)仿真工具CANoe（CANopenenvironment）CANoe是德國(guó)Vector公司面向汽車總線開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)和ECU開(kāi)發(fā)、測(cè)試和分析的專業(yè)工具，支持從需求分析到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。在開(kāi)發(fā)的初期階段，CANoe可以用于建立仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行ECU的功能評(píng)估。在完成了ECU的開(kāi)發(fā)后，該仿真模型可以用于整個(gè)系統(tǒng)的功能分析、測(cè)試以及總線系統(tǒng)和ECU的集成，這樣就可以盡早地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。4．ECU測(cè)量、標(biāo)定和診斷的綜合工具CANapeCANape是德國(guó)Vector公司為汽車ECU開(kāi)發(fā)、標(biāo)定、診斷和測(cè)量數(shù)據(jù)采集的綜合性工具。CANape主要用于電控單元（ECU）的參數(shù)優(yōu)化（標(biāo)定）。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)571.3數(shù)進(jìn)制及其相互轉(zhuǎn)換1.3.1數(shù)的常用進(jìn)制1．十進(jìn)制數(shù)主要特點(diǎn)：1）它由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9不同的基本數(shù)碼符號(hào)構(gòu)成，基數(shù)為10。2）進(jìn)位規(guī)則是“逢十進(jìn)一”，一般在數(shù)的后面加符號(hào)D表示十進(jìn)制數(shù)。（十進(jìn)制符號(hào)可省略）注：所謂基數(shù)，在數(shù)學(xué)中指計(jì)數(shù)制中所用到的數(shù)碼的個(gè)數(shù)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)582．二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)是計(jì)算機(jī)內(nèi)的基本數(shù)制，其主要特點(diǎn)是：1）任何二進(jìn)制數(shù)都只由0和1兩個(gè)數(shù)碼組成，其基數(shù)是2。2）進(jìn)借位規(guī)則是“逢二進(jìn)一，借一當(dāng)二”。3）字節(jié)（byte）：8位二進(jìn)制數(shù)約定為1字節(jié)，如圖1-11所示。一個(gè)字節(jié)可表示28個(gè)值（0～255）。LSB：最低有效位，D0位；MSB：最高有效位，D7位。一般在數(shù)的后面用符號(hào)B或b表示這個(gè)數(shù)是二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)同樣可以用冪級(jí)數(shù)形式展開(kāi)。4）字（word）：2字節(jié)，16位二進(jìn)制數(shù)。高8位為高字節(jié)，低8位為低字節(jié)。一個(gè)字有216個(gè)值（0~65535），LSB：最低有效位，D0位。MSB：最高有效位，D15位。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)593．十六進(jìn)制數(shù)在計(jì)算機(jī)軟件編程時(shí)，十六進(jìn)制數(shù)常用于代碼和數(shù)據(jù)的縮寫，其主要特點(diǎn)是：1）十六進(jìn)制數(shù)由16個(gè)數(shù)符構(gòu)成：0、1、2、…、9、A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D、E、F分別代表十進(jìn)制數(shù)的10、11、12、13、14、15，其基數(shù)是16。2）進(jìn)借位規(guī)則是“逢十六進(jìn)一，借一當(dāng)十六”。一般在數(shù)的后面加一個(gè)字母H表示是十六進(jìn)制數(shù)。4．各種進(jìn)位制的對(duì)應(yīng)關(guān)系表1-2反映了各種進(jìn)位制的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)602023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)611.3.2數(shù)制間的轉(zhuǎn)換1．二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換（1）二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成十六進(jìn)制數(shù)采用四位二進(jìn)制數(shù)合成一位十六進(jìn)制數(shù)的方法，以小數(shù)點(diǎn)開(kāi)始分成左側(cè)整數(shù)部分和右側(cè)小數(shù)部分。（2）十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)將十六進(jìn)制數(shù)的每位分別用四位二進(jìn)制數(shù)碼表示，然后把它們連在一起即為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)622．二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換（1）二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)將二進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開(kāi)后相加即得到對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。（2）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)的方法不同，要將它們分別轉(zhuǎn)換，然后將結(jié)果合并到一起即得到對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。①十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制整數(shù)的常用方法是“除2取余法”。②十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)的常用方法是“乘2取整法”。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)633．十六進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換（1）十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)將十六進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開(kāi)后相加即得到對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。（2）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)類似，十進(jìn)制整數(shù)部分采用“除16取余逆排法”，十進(jìn)制小數(shù)部分采用“乘16取整順排法”。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)642023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)651.4二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算1.4.1算術(shù)運(yùn)算1．加法運(yùn)算運(yùn)算規(guī)則為：0+0=0、1+0=0+1=1、1+1=10（向高位有進(jìn)位）。2．減法運(yùn)算運(yùn)算規(guī)則為：0-0=0、1-0=1、1-1=0、0-1=1（向高位借1當(dāng)作2）。 3．乘法運(yùn)算

運(yùn)算規(guī)則為：0×0=0、0×1=1×0=0、1×1=1。 4．除法運(yùn)算

除法運(yùn)算是乘法運(yùn)算的逆運(yùn)算。與十進(jìn)制類似，從被除數(shù)最高位開(kāi)始取出與除數(shù)相同的位數(shù)，減去除數(shù)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)661.4.2邏輯運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算主要有與、或、異或、非等。邏輯運(yùn)算是按位運(yùn)算的。1．非（not）運(yùn)算邏輯符號(hào)：，函數(shù)表達(dá)式：非操作邏輯表：，非運(yùn)算用于按位取反（反相器）2．與（and）運(yùn)算邏輯符號(hào)：，函數(shù)表達(dá)式：與操作邏輯表：與“0”相與，指定位為０；與“1”相與，保留指定位。與運(yùn)算常用于屏蔽某些位。如：0011,0011B^0000,1111B=0000,0011B，使得高四位清零，低四位保留。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)673．或（or）運(yùn)算邏輯符號(hào)：，函數(shù)表達(dá)式：或操作邏輯表：與“1”相或，指定位為1；與“0”相或，保留指定位?；蜻\(yùn)算常用于置位某些位。如：0011,0011B∨0000,1111B=0011,1111B，使得高四位保留，低四位置1。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)684．異或（xor）運(yùn)算邏輯符號(hào)：，函數(shù)表達(dá)式：異或操作邏輯表：

與“0”相異或，保留指定位；與“1”相異或，指定位取反。異或運(yùn)算常用于某些位取反。如：0011,0011B⊕0000,1111B=0011,1100B，使得高四位保留，低四位取反。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)695．組合邏輯操作（1）或非門邏輯符號(hào)：，函數(shù)表達(dá)式：（2）與非門邏輯符號(hào)：，函數(shù)表達(dá)式：2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)706．專用的邏輯器件為了實(shí)現(xiàn)邏輯操作，專門設(shè)計(jì)了大量的邏輯運(yùn)算器件。如74LS138譯碼器，見(jiàn)圖1-12。74LS138真值表見(jiàn)表1-3。圖1-1274LS138引腳3線－8線譯碼器2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)711.4.3有符號(hào)數(shù)的碼制自然界的數(shù)分整數(shù)和實(shí)數(shù)，整數(shù)中又分無(wú)符號(hào)整數(shù)和有符號(hào)整數(shù)。在計(jì)算機(jī)內(nèi)數(shù)都是有限字長(zhǎng)的二進(jìn)制格式表示。1．機(jī)器數(shù)及其真值機(jī)器數(shù)中分有符號(hào)數(shù)和無(wú)符號(hào)數(shù)，而整數(shù)又分為8位、16位、32位、64位有符號(hào)或無(wú)符號(hào)整數(shù)，對(duì)于實(shí)數(shù)，又分單精度（32位）、雙精度（64位）。必須弄清楚計(jì)算機(jī)內(nèi)部是如何表示這些數(shù)的。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)72（1）無(wú)符號(hào)整數(shù)的表示

對(duì)于無(wú)符號(hào)整數(shù)，二進(jìn)制的所有位均為數(shù)值位。如：8位二進(jìn)制數(shù)10001111B（8FH），表示無(wú)符號(hào)數(shù)時(shí)，代表數(shù)143。對(duì)于n位二進(jìn)制，其無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍是：0~2n-1。如8位二進(jìn)制無(wú)符號(hào)數(shù)的范圍是0~255，16位二進(jìn)制無(wú)符號(hào)數(shù)的范圍是0~65535。對(duì)于有限字長(zhǎng)的無(wú)符號(hào)數(shù)，進(jìn)行加法和減法運(yùn)算時(shí)，均存在溢出問(wèn)題。兩個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)相加，超出有限位的表示范圍，即產(chǎn)生溢出。兩個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)相減，被減數(shù)小于減數(shù)的問(wèn)題。一般是通過(guò)最高位有無(wú)進(jìn)位（借位）進(jìn)行判斷。Cn-1＝1，最高位有進(jìn)位（借位），溢出，Cn-1＝0，最高位無(wú)進(jìn)位（借位），無(wú)溢出。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)73（2）有符號(hào)整數(shù)的表示把二進(jìn)制數(shù)的最高位定義為符號(hào)位，符號(hào)位為0表示正數(shù)，符號(hào)位為1表示負(fù)數(shù)。連同符號(hào)位一起數(shù)值化了的數(shù)，稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)所表示的真實(shí)的數(shù)值，稱為真值。數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示形式稱為機(jī)器數(shù)（二進(jìn)制數(shù)）這個(gè)數(shù)本身稱為真值。如：正數(shù)+1000101B（+45H）。上面表示方式是數(shù)的真值表達(dá)式；機(jī)器數(shù)的表示：01000101B（45H）。如：負(fù)數(shù)-1010101B（-55H）上面表示方式是數(shù)的真值表達(dá)式；機(jī)器數(shù)的表示：11010101B（D5H）。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)742．有符號(hào)數(shù)的原碼、反碼和補(bǔ)碼在微型計(jì)算機(jī)中約定，最高位用來(lái)表示符號(hào)，而其他位用于表示數(shù)值。對(duì)于8位二進(jìn)制數(shù)用D7=0表示正數(shù)，D7=1表示負(fù)數(shù)；對(duì)于16位二進(jìn)制數(shù)用D15=0表示正數(shù)，D15=1表示負(fù)數(shù)。（1）原碼

最高位為符號(hào)位，數(shù)值為絕對(duì)值。n位原碼表示數(shù)值的范圍是：-(2n-1-1)~+(2n-1-1)。8位對(duì)應(yīng)的原碼是1111,1111B~0111,1111B，即-127~127。如：X=+18=+0010010B，其原碼為[X]原=00010010B；X=-18=-0010010B，其原碼為[X]原=10010010B；需要注意數(shù)0的原碼：+0=00000000；-0=10000000，即：數(shù)0的原碼不唯一。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)75（2）反碼正數(shù)的反碼與其原碼相同。負(fù)數(shù)的反碼符號(hào)位為1，數(shù)值位為其原碼數(shù)值位逐位取反。如：X=-52=-0110100B，[X]原

=10110100B，[X]反

=11001011B。如：X=+18=+0010010B，其反碼為[X]原=00010010B；X=-18=-0010010B，其反碼為[X]原=11101101B；n位反碼表示數(shù)值的范圍是：-(2n-1-1)~+(2n-1-1)。8位對(duì)應(yīng)的反碼是1000,0000B～0111,1111B，即-127~127。數(shù)0的反碼也不是唯一的，[+0]反=00000000B，[-0]反=11111111B。采用原碼和反碼表示時(shí)，符號(hào)位不能同數(shù)值一道參加運(yùn)算。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)76（3）補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為其反碼加1。計(jì)算機(jī)中，帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算均采用補(bǔ)碼。若X>0，

則[X]補(bǔ)=[X]反=[X]原若X<0，

則[X]補(bǔ)=[X]反+1如：X=-52=-0110100B，[X]原=10110100B，[X]反=11001011B，[X]補(bǔ)=[X]反+1=11001100B。n位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍是-(2n-1)~+(2n-1-1)。8位對(duì)應(yīng)的補(bǔ)碼是10000000B~01111111B，對(duì)應(yīng)-128~127。需要注意：[+0]補(bǔ)=[-0]補(bǔ)=00000000B；[-128]補(bǔ)=10000000B。由補(bǔ)碼求其真值的方法：求補(bǔ)得到原碼（符號(hào)位+數(shù)值位），依據(jù)原碼求真值。如：某數(shù)的補(bǔ)碼為：10101011B，求補(bǔ)得：11010101B，真值為：-55H。補(bǔ)碼的優(yōu)點(diǎn)：將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法，且數(shù)值連同符號(hào)位可一起參與運(yùn)算。如：45H-55H=-10H；[45H]補(bǔ)：01000101B，+[-55H]補(bǔ)：10101011B；[-10H]補(bǔ)：11110000B；求補(bǔ)得原碼：10010000B，真值：-0010000B（－10H）。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)771.4.4有符號(hào)二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算1．有符號(hào)二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算對(duì)用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)：（1）求出真值。先判斷是正數(shù)還是負(fù)數(shù)，求真值（2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如：[X]補(bǔ)=00101110B，符號(hào)位為0，即X為正數(shù)，真值為：+0101110B，所以：X=+46。如：[X]補(bǔ)=11010010B，符號(hào)位為0，即X為負(fù)數(shù)，X=[[X]補(bǔ)]補(bǔ)=[1101