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駕駛系統(tǒng)、定期OTA更新軟件和伴隨可安裝附加可收費軟件模式，上述功能很快會成為車輛的標(biāo)準功能。然而若沒有對應(yīng)的新的電子電氣架構(gòu)和強大性能的ECU，這些復(fù)雜的電氣功能就無法實現(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或多個，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。那個時候車輛就會被成為奔跑的“電腦"。這些ECU中的微處理器與智能手機或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)的一個方面是符合POSIX標(biāo)準的操作系統(tǒng)，通常用于有效利用計算資源。這些操作系統(tǒng)允許對執(zhí)行的軟件進行更動態(tài)的處理,并且比以前使用的實時操作系統(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，運行在操作系統(tǒng)頂部的中間件基于標(biāo)準的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算機放入車輛中。新的架構(gòu)特點:在快速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和強大處理器的支持下，重點不再是高效的數(shù)據(jù)傳輸，而是單個ECU的更強解耦。更改單個ECU應(yīng)盡可能減少對系統(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,除了解擺單個組件之外,提高硬件和軟件的可重用性是另一個目標(biāo)這樣的話，車載組件就可以跨車輛甚至跨OEM使用。對于近年來的經(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，一個功能僅由一個ECU實現(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，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;->動力;->信息娛樂域;此體系結(jié)構(gòu)的基本思想是使用每個域的強大控制器，大部分必要的傳感器/執(zhí)行器都連接到該控制器。對于域控制器，它需要協(xié)調(diào)下掛的子節(jié)點。這大大提高了在域內(nèi)擴展功能的靈活性，因為調(diào)整通常只會導(dǎo)致域本地更改。但是開頭提到的用例不能直接分配給域。高度自動化驅(qū)動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):這些域組合在一個大型高性能計算機或計算機群集中。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，因為許多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)行機電一體化任務(wù)。因此，它們獨立于ECU和車輛，從而實現(xiàn)具有高重用潛力的模塊化系統(tǒng)設(shè)計。但是，對于低成本傳感器，此過程不會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色的集成節(jié)點(域控制器)。上述這些節(jié)點還有另外一個重要功能: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)在這個網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)代表中央計算機方向的主總線系統(tǒng)。車載以太網(wǎng)會作為主干網(wǎng)體現(xiàn)在整車電子電氣架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲中。模塊化和功能可擴展的架構(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)點是一人復(fù)雜的ECU，它通常包含多處理器和多控制器。對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，因為控制器和處理器在屬性上是相輔相成的。一個例子是更快的微控制器的啟動時間。開機后，它可以快速投入運行，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)具有低抖動的最高時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。使用的計算內(nèi)核提供更高的時鐘速率，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)備的另一個優(yōu)點在于滿足安全要求。根據(jù)ISO26262，當(dāng)前處理器實現(xiàn)高達ASILB的完整性級別。通過使用幾余，高度自動化所害的ASILD級盡管如此，還是可以實現(xiàn)駕駛。在這樣的系統(tǒng)中，附加微控制器執(zhí)行兩項任務(wù)，一方面，它執(zhí)行監(jiān)控功能。然而，它也可用于在發(fā)生故障時提供降級的功能，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)生故障時必須繼續(xù)運行的系統(tǒng)ECU配備了多個可編程組件，這樣的事實導(dǎo)致了另一個方面:從外面來看，它仍然是一個單-的ECU。然而，在內(nèi)部，許多獨立的軟件組件實現(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制造商的一項新任務(wù)，因為此步驟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)實現(xiàn)。對于域控制器的出現(xiàn)，單從組織的角度來看，集成各種軟件組件是一項越來越大的挑戰(zhàn)。對于單個模塊功能實現(xiàn)起來不是問題，但是將各個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)先級并發(fā)問題等等，就會不可控的出現(xiàn)。因此需要大家對于規(guī)范的定義更為嚴苛，這樣ECU的模塊化設(shè)計和符合POSIX標(biāo)準的操作系統(tǒng)使集成來自多個獨立團隊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。基于中心ECU平臺的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。有需求就會有解決方案，AUTOSARAdaptive用于此硬件，以滿足模塊化，動態(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算機平臺的事實標(biāo)準。TheAUTOSARAdaptive中間件使用符合POSIX標(biāo)準的操作系統(tǒng)，如Linux、PikeOS或ONX，并通過所有必要的汽車擴展來完成它們。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)進行通信。診斷功能、信息安全和功能安全是對功能特性的補充。這樣說是不是特別像ClassicAUTOSAF軟件BSW特性。但是從細節(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行時動態(tài)建立通信路徑。在運行時建立通信的機制給應(yīng)用軟件(ApplicationSoftware)帶來了很大的活力。同樣的情況，對于ClassicAUTOSAR，則需要調(diào)整通信矩陣才可以將內(nèi)容發(fā)送給ECU。這樣一對比，對于軟件功能的易擴展，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)動和高level的軟件分離更為嚴苛。這樣的結(jié)果會讓車輛中獨立于硬件的軟件更為便以攜帶。與AUTOSARClassicECU相比，這以實現(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，以避免硬件設(shè)計的變化。->2、關(guān)于車載功能軟件，對于不同新增的車輛，容易復(fù)用在AdaptiveAUTOSAR項目中，軟硬件分離的策略給供應(yīng)商和主機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營思路。為了實現(xiàn)這樣的功能策略，每一個依據(jù)AdaptiveAUTOSAR功能模塊都是獨立的二進制文件?；谏鲜霾呗?，車載控制器應(yīng)用軟件獨立于ECU開發(fā)。這樣就有點像手機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，獨立運行。商業(yè)操作系統(tǒng)可以保證不會超過安全相關(guān)應(yīng)用程序的內(nèi)存限制。他們?yōu)榇四康奶峁┝擞驳膶崟r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)行時間（WCET）?；谶@樣的運行機制，由于沒有與硬件的直接交五，因此由中斷負載變化引起的與時間相關(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。使用虛擬機管理程序可以并行運行具有不同動態(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，建議謹慎，因為無法以必要的速度消除軟件錯誤和安全漏洞。另外，