從系統級角度設計一個(gè)優(yōu)化的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )設計

汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的作用已從過(guò)去的降低布線(xiàn)成本和減輕重量，向從根本上支持最新汽車(chē)功能的實(shí)現方面轉變。當今的車(chē)內分布式系統已有80多個(gè)由多種不同網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)的電子控制單元(ECU)。在“復用”(正如網(wǎng)絡(luò )時(shí)常被比稱(chēng)的)初期引入的許多低效做法仍普遍存在。當今的挑戰在呼喚新的解決方法。

業(yè)內專(zhuān)家表示，在可預見(jiàn)的將來(lái)，汽車(chē)上90%的創(chuàng )新將通過(guò)電子汽車(chē)架構實(shí)現。網(wǎng)絡(luò )是汽車(chē)電子工程架構的一個(gè)主要建構元素，因此應該予以足夠重視。復雜的分布式功能的成功實(shí)現依賴(lài)可靠的網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )配置(以成為一個(gè)共享資源)的確提出了一個(gè)必須在系統級才能解決的嚴峻挑戰。

網(wǎng)絡(luò )設計挑戰

十幾年以來(lái)，汽車(chē)內復用網(wǎng)絡(luò )的設計一直延續自下而上的工程實(shí)現方法，鮮有例外。該方法專(zhuān)注于直接相關(guān)的ECU之間的協(xié)議“資訊”，而把總線(xiàn)上隨機交互行為的影響交由測試解決。“先建構再測試”一直是主導性做法。在汽車(chē)項目開(kāi)發(fā)后期發(fā)現的錯誤是昂貴的，而且改正起來(lái)風(fēng)險很大，因為它存在引入第二級錯誤的高風(fēng)險性。

當今的網(wǎng)絡(luò )設計實(shí)踐常常意味著(zhù)，先實(shí)現設計而后再驗證。這與業(yè)界在任何其它技術(shù)領(lǐng)域的做法(即先驗證、再實(shí)現)都不同。

時(shí)域的可預測性是實(shí)現可靠性和效率目標的關(guān)鍵因素。時(shí)序要求描述一個(gè)功能正確時(shí)必須產(chǎn)生的行為。時(shí)序行為決定系統將要做什么，換句話(huà)說(shuō)，它表達了系統行為的一種模式。時(shí)序要求很關(guān)鍵，它代表著(zhù)設計要求以及測試的目標。如圖1中所示，時(shí)序模型可用于描述整條時(shí)序鏈上端至端的不同元素。

時(shí)序分析可被施加于時(shí)序行為，以產(chǎn)生可與時(shí)序要求比對的結果。已知的時(shí)序要求和時(shí)序行為都是時(shí)序分析的基本前提。

作為一個(gè)范例，我們應當更仔細地考察一個(gè)已經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗證的方法學(xué)和工具，即Vehicle Network Architect(VNA)。

Vehicle Network Architect

實(shí)現正確時(shí)序模型的工具可以最簡(jiǎn)單的方式執行人工創(chuàng )建的通信矩陣的分析，以計算在總線(xiàn)上發(fā)送的信息的最大時(shí)延，并檢查它是否在最低要求之內，該最低要求可從汽車(chē)功能的端至端時(shí)序要求中推導出來(lái)。有趣的是，在更高端的應用場(chǎng)合，這樣一種工具可根據輸入文件聲明的要求執行完整的簇綜合和網(wǎng)關(guān)配置。該模式提供全自動(dòng)的幀創(chuàng )建、信號打包和進(jìn)度表生成。

為了能對設計師有實(shí)際幫助作用，這樣一種工具必須能夠處理車(chē)內所用的全部協(xié)議，并確保透明的信號傳輸和保證的通過(guò)網(wǎng)關(guān)及多個(gè)不同總線(xiàn)的端至端時(shí)延。

當今汽車(chē)電子工程系統中占主導地位的網(wǎng)絡(luò )方案是控制器局域網(wǎng)(CAN)和本地互連網(wǎng)(LIN)。為滿(mǎn)足對安全有極高要求的應用對更高帶寬的要求，業(yè)界啟動(dòng)了FlexRay的開(kāi)發(fā)。在可預見(jiàn)的未來(lái)，這些協(xié)議將共存于車(chē)中。這是因為，每個(gè)協(xié)議都有特定的應用領(lǐng)域，而且它是該領(lǐng)域成本最優(yōu)的解決方案。

系統級設計

系統級設計(SLD)常被稱(chēng)為電子設計自動(dòng)化(EDA)的下一個(gè)前沿，業(yè)界期望它能給汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的生產(chǎn)力和效率的提高?；赟LD方法開(kāi)發(fā)出來(lái)的解決方案是正確的和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的，它不再是一種需要對由不同檔次和多個(gè)供應商組成的供應鏈提供的器件進(jìn)行冗長(cháng)集成測試的候選方案。

不借助先進(jìn)工具，就無(wú)法實(shí)現這一過(guò)程。以每家主要OEM采用不同專(zhuān)有解決方案為特征的細分市場(chǎng)在以前不太適合部署這種產(chǎn)品。為了發(fā)揮 SLD的潛能，并把對EDA行業(yè)的關(guān)注引導到汽車(chē)應用，需要一個(gè)范式轉移(paradigm shift)。

AUTOSAR

汽車(chē)開(kāi)放系統架構(AUTOSAR)是一個(gè)新興的汽車(chē)軟件架構標準。在定義一個(gè)帶指定功能和接口的多層軟件架構、以及描述配置數據的文件格式方面，業(yè)界已做了許多工作。一個(gè)詳盡的元模型(metamodel)為它提供了很好的補充，從而為創(chuàng )新性SLD工具的問(wèn)世鋪平了道路。

VNA回顧

VNA是基于整體概念構建的，它為車(chē)內分布式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )定義了一個(gè)獨立于協(xié)議的設計方法學(xué)。該概念處理技術(shù)和非技術(shù)實(shí)體(即：在開(kāi)發(fā)階段把責任分配給完善定義的角色)。愿景是“保證設計正確性”。大多數與系統相關(guān)的問(wèn)題可在項目早期被確認和解決。該概念以可保證的信息時(shí)延以及基于信號的發(fā)布/訂閱通信模式這兩點(diǎn)為根基。它通過(guò)隱藏網(wǎng)絡(luò )和協(xié)議細節提供了抽象，從而允許開(kāi)發(fā)者工作在以信號、功能和相關(guān)時(shí)序信息為素材的應用環(huán)境中。

VNA是為支持這樣一個(gè)開(kāi)發(fā)流程設計的：它以嚴格的系統工程原則為基礎、以解讀需求為肇始、然后使用戶(hù)參與各個(gè)階段、最后以實(shí)現一個(gè)具有完全可預見(jiàn)時(shí)序行為的高度優(yōu)化的設計為目標。明確區分角色、分派任務(wù)是該工具背后理念的一部分(圖3)。

確切定義網(wǎng)絡(luò )需要大量信息。為支持數據輸入，VNA采用基于XML的格式、提供對來(lái)自第三方工具的自動(dòng)輸入，它是借助GUI的人工數據輸入的一種替代。一個(gè)內置的多層一致性校驗器對全部數據進(jìn)行校驗。

VNA內的工作流程確保所有與網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的信息都被收集到。將首先創(chuàng )制全局目標，然后它們在幾個(gè)項目?jì)缺恢貜褪褂?。VNA用戶(hù)與諸如信號/節點(diǎn)/接口等目標類(lèi)型打交道。用這些目標構建汽車(chē)所用的網(wǎng)絡(luò )。信號由名稱(chēng)和類(lèi)型定義，還可附加邏輯或物理編碼信息。對接口的詳盡硬件要求進(jìn)行定義，從而描述出網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際節點(diǎn)。對每個(gè)節點(diǎn)，都對接收和發(fā)射信號進(jìn)行定義并提供信號的時(shí)序要求。該信息是為“全局使用”的，它遍歷不同的車(chē)型和平臺等。當所用全局數據都被采集到后，則通過(guò)期望的配置把接口連接起來(lái)，網(wǎng)絡(luò )就這樣被設計出來(lái)了。

VNA具有很強的項目和衍生項目處理能力。不同配置可選擇性使用或適應全局目標，例如：可把高端特性從一款低端車(chē)型中剝離出來(lái)。這意味著(zhù)具有版本和變異處理能力的VNA可管理多個(gè)配置、設計和發(fā)布。

所有數據目標，無(wú)論是全局的還是針對配置的，都存儲在一個(gè)公共數據庫中。所有復雜、費時(shí)的VNA操作都傾向于在數據庫的本地RAM鏡像內完成以縮短響應時(shí)間。

VNA工具內置了豐富的一致性檢查功能?？筛鶕枰獑?dòng)一致性檢查，它通常連續對用戶(hù)輸入進(jìn)行查驗、當發(fā)現錯誤時(shí)立即報警。一致性檢查確保網(wǎng)絡(luò )設計遵循全部預先定義的規則。

時(shí)序分析/框架編譯

為在VNA內進(jìn)行時(shí)序分析的開(kāi)發(fā)和定義進(jìn)行了許多努力。針對CAN進(jìn)行的時(shí)序分析構建在稱(chēng)為截至期限單調分析(DMA)的進(jìn)度模型上，并對在總線(xiàn)上發(fā)送的一組規定幀的每一幀都進(jìn)行最壞情況時(shí)延計算。該功能的一部分業(yè)已被設計進(jìn)一致性檢查算法內，但VNA工具的真實(shí)效能在幀打包/幀編譯功能中得以充分體現。

幀打包/幀編譯試圖把信號以最適當的方式分成幀，而不是為每一幀計算合適的ID，從而確保在流程早期采集到的全部時(shí)序要求盡可能被滿(mǎn)足(一些要求可能代表不可預見(jiàn)的情況)。把多個(gè)信號自動(dòng)分組成幀的作法使數據總線(xiàn)的效率更高，因它分攤了一些涉及到協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)，從而降低了總線(xiàn)負載(圖4)。除帶寬方面的好處外，多信號/每幀和完美的濾波減少了ECU內CPU的中斷干預和工作量。為處理不可配置的留存(carry-over)節點(diǎn)，可將其附帶的幀定義為“固定”。若需要，還可進(jìn)行人工幀分組。

網(wǎng)關(guān)

一個(gè)網(wǎng)絡(luò )一般包含采用不同協(xié)議的多個(gè)網(wǎng)絡(luò )部分。信號可能通過(guò)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)從一部分傳送到另一部分。數據的網(wǎng)關(guān)流布(即使穿越多個(gè)協(xié)議)是由VNA自動(dòng)配置的。處理一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)的時(shí)序要求也都由VNA完成。這一解決方案不需任何特殊的網(wǎng)關(guān)硬件。

VNA輸出

VNA自動(dòng)生成表述整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的一系列配置文件，以及系統內針對每個(gè)節點(diǎn)的專(zhuān)門(mén)配置數據。利用可配置節點(diǎn)使系統很靈活，因該概念把依賴(lài)應用和依賴(lài)網(wǎng)絡(luò )的信息分割開(kāi)。系統集成商對網(wǎng)絡(luò )的改變可容易地施加于汽車(chē)且無(wú)需非要為ECU重新編譯應用軟件。用于控制第三方分析和測量工具的各種文件可作為選項生成。

VNA工具使OEM可容易地與其客戶(hù)分享數據，對FIBEX和XML等標準的支持進(jìn)一步簡(jiǎn)化了信息共享并為配置第三方通信層打下基礎。

本文小結

堅持用自動(dòng)化工具實(shí)現確定性調度明顯提升了可靠性和效能，并使網(wǎng)絡(luò )設計變成一種可重復的流程。因網(wǎng)絡(luò )正確性由設計把關(guān)，所以剩下的唯一需驗證的工作是對實(shí)現正確性本身的驗證。