汽車(chē)開(kāi)放系統架構完善車(chē)載網(wǎng)絡(luò )和ECU設計

　　自2003年成立以來(lái)，AUTOSAR（汽車(chē)開(kāi)放系統架構）聯(lián)盟便一直致力于改變車(chē)載網(wǎng)絡(luò )和電子控制單元（ECU）的設計方式。AUTOSAR為原始設備制造商（OEM）及其一級供貨商提供了一種產(chǎn)業(yè)的標準方法，以設計和開(kāi)發(fā)位于現代車(chē)輛中心的ECU。該標準將有助于減少設計過(guò)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據格式，以交換設計信息。本文將探討AUTOSAR采用戰略的一些的預期商業(yè)效益，并解釋了一些基本術(shù)語(yǔ)和設計方法。

　　AUTOSAR聯(lián)盟的會(huì )員包括汽車(chē)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。該聯(lián)盟的宗旨是針對汽車(chē)電氣/電子（E/E）架構創(chuàng )造和建立全球性的開(kāi)放標準。該標準在車(chē)輛架構級別提供支持，讓OEM網(wǎng)絡(luò )設計人員能設計和管理車(chē)輛功能之間的復雜關(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。

　　為何改用AUTOSAR？

　　一款現代化豪華汽車(chē)可能包含多達100個(gè)ECU，包括從簡(jiǎn)單的傳感器接口到復雜的娛樂(lè )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(fēng)險很高，但原始設備制造商和一級供貨商做出這樣的改變會(huì )帶帶來(lái)許多的效益。預計到2020年，所有車(chē)輛都將擁有一些基于A(yíng)UTOSAR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(chē)平臺和架構中更好地重新使用電子控制單元

　　能更好地使用預先驗證和測試過(guò)的軟件組件（代表車(chē)輛功能）

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

　　通過(guò)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 )架構分析和設計審查的成本

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

　　不論在整個(gè)內部設計周期內是否需要對ECU進(jìn)行重新設計或改進(jìn)，改用AUTOSAR可加速設計調整。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(huì )改變工作的流程，改用AUTOSAR方法可在變更流程時(shí)同時(shí)導入。不論如何實(shí)施調整，第一個(gè)基于A(yíng)UTOSAR電子控制單元設計項目所花的時(shí)間，都要比現有/傳統設計流程所花的時(shí)間來(lái)得更長(cháng)，這是因為設計人員需要時(shí)間來(lái)熟悉新的方法。但隨后即可帶來(lái)節省成本和提升效益的成果。將傳統的ECU資產(chǎn)轉向AUTOSAR標準也是有可能的，通過(guò)采用“AUTOSAR封裝（AUTOSAR Wrapper）”概念，重要的現有和經(jīng)過(guò)證明的電子控制單元應用代碼便可重復使用。使AUTOSAR的封裝能夠導入其它純AUTOSARECU。這將有助于降低轉用AUTOSAR方法的風(fēng)險。

　　什么是AUTOSAR？

　　就本質(zhì)而言，AUTOSAR提供標準的ECU接口定義，使設計人員能夠具體指定每個(gè)汽車(chē)ECU中都需要的可重復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(zhù)應用軟件和硬件平臺是相互獨立的。應用軟件開(kāi)發(fā)人員可在應用軟件中明確地說(shuō)明各個(gè)汽車(chē)功能的細節，而不用擔心相關(guān)軟件服務(wù)和硬件接口。過(guò)去，軟件和硬件緊密地整合在一起，因此很難實(shí)現可移植性和可重復使用（圖1）。

　　圖1：將應用軟件與硬件分開(kāi)。

　　將設計與硬件決策分開(kāi)使車(chē)輛生產(chǎn)商/OEM能夠依據所需的車(chē)輛功能進(jìn)行自上而下的設計。存在于這個(gè)設計時(shí)間的虛擬功能總線(xiàn)（VFB）概念讓所有軟件電子控制單元都能夠實(shí)現互連和獲得測試。這讓設計人員可專(zhuān)注于應用層，而不是根本的軟件基礎建設。通過(guò)采用虛擬功能總線(xiàn)，應用軟件組件（SWC）與其它應用軟件組件也相互獨立。軟件組件向虛擬功能總線(xiàn)發(fā)出輸出信號，虛擬功能總線(xiàn)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(shí)現所有車(chē)輛軟件功能和接口交互驗證。設計調整也因此變得容易得多，同時(shí)所有功能都被定義成虛擬功能總線(xiàn)上的軟件組件（圖2）。

　　圖2：在虛擬功能總線(xiàn)上測試軟件組件。

　　雖然虛擬功能總線(xiàn)不提供ECU之后在真實(shí)車(chē)輛中如何分布和互連的信息，但對架構設計時(shí)間來(lái)說(shuō)，卻是很有用的測試基準?？蔀檐?chē)輛中的所有信號進(jìn)行定時(shí)檢查和接口定義。

　　一旦設計人員對各項功能感到滿(mǎn)意，這些功能便會(huì )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(gè)復雜的ECU可能包含很多軟件組件，必要時(shí)可依照階層式的方式將它們組織起來(lái)。

　　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(gè)ECU都有為它量身定制的運行環(huán)境（RTE），通?？赏ㄟ^(guò)配套的設計工具來(lái)自動(dòng)創(chuàng )建。真正的電子控制單元之間的實(shí)際通信將實(shí)現成CAN或Flex Ray總線(xiàn)的一部分，而運行環(huán)境通過(guò)產(chǎn)生工具進(jìn)行配置，以便執行相連AUTOSAR組件所需的通信路徑。運行環(huán)境可以切實(shí)執行虛擬功能總線(xiàn)和架構設計流程的通信和連接拓撲。由于A(yíng)UTOSAR標準支持很多不同類(lèi)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)——基礎軟件層和操作系統

　　基礎軟件（BSW）是一種標準化軟件，不包含車(chē)輛應用邏輯和電子控制單元功能，但為運行環(huán)境提供依賴(lài)硬件和獨立于硬件的服務(wù)。所需的服務(wù)包括內存服務(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。當應用層中定義的AUTOSAR軟件組件要求服務(wù)時(shí)，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(mǎn)足。在真正的電子控制單元上運行的基本操作系統（OS或OSEK）不知道AUTOSAR“可運行的（runnable）”概念。操作系統擁有一個(gè)可調度活動(dòng)列表，這些活動(dòng)通過(guò)調度算法進(jìn)行管理。

　　關(guān)于硬件

　　AUTOSAR分層軟件架構可以分離硬件的應用邏輯（application logic），以便重復利用和可以攜帶（portability）。運行環(huán)境和操作系統與微控制器抽象層（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，使操作系統和基礎軟件能夠存取數字輸入/輸出、模擬數字轉換、FLASH和EEPROM支持等設備。圖4說(shuō)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(chē)OEM可以通過(guò)一個(gè)自上而下的AUTOSAR設計方法，操作整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的完整模型。AUTOSAR設計工具可以讓單一的ECU被提取，且在A(yíng)UTOSARXML（arxml）中定義了連接性和接口信息。這個(gè)接口定義之后將傳給一級供貨商，進(jìn)行進(jìn)一步的細節設計和實(shí)施。由于格式已被標準化，相同的定義可以在公開(kāi)投標時(shí)同時(shí)分送給幾個(gè)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計上的模棱兩可，并且隨著(zhù)AUTOSAR標準的發(fā)展，存在誤解的可能性也越來(lái)越小。由于這個(gè)標準與硬件無(wú)關(guān)，因此能夠更充分地利用新產(chǎn)業(yè)趨勢所帶來(lái)的效益，如車(chē)內以太網(wǎng)、混合技術(shù)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )（CAN/Flex ray）、異構多核平臺以及車(chē)載網(wǎng)關(guān)布置。

　　想要試試看？

　　包括Mentor Graphics在內的一些業(yè)者已經(jīng)可為AUTOSAR設計提供評估套件。這些套件包括架構設計到單個(gè)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(kāi)發(fā)板。這些工具以Eclipse為基礎，利用開(kāi)源工具鏈進(jìn)行從源代碼到運行實(shí)施的一系列設計。相對于大規模地將車(chē)內ECU一次就完全改到AUTOSAR方法來(lái)說(shuō)，低風(fēng)險調查和AUTOSAR試驗更為可取。

　　AUTOSAR為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )和ECU設計提供預定義的標準方法，找到了進(jìn)入每家汽車(chē)OEM和一級機構的方式。AUTOSAR標準提供了改善工藝和重新利用組件的機會(huì )，但是也帶來(lái)了學(xué)習新ECU設計流程和工具的挑戰。AUTOSAR的早期采用者一直都在把這些知識傳給主流的設計和資源，而現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(gè)可重復、定義明確、且自上而下的設計流程。