嵌入式軟件正加速當今汽車(chē)的連接和創(chuàng )新

電子設計自動(dòng)化技術(shù)的領(lǐng)導廠(chǎng)商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《嵌入式軟件正加速當今汽車(chē)的連接和創(chuàng )新》的研究報告。了解更多信息請登錄：http://automotive.cn.mentor.com/。

汽車(chē)工業(yè)正在呈現不可思議的變化。提到當今現代化的汽車(chē)不得不說(shuō)消費者和汽車(chē)代工廠(chǎng)商同樣都在適應這個(gè)千變萬(wàn)化的時(shí)代。毫無(wú)疑問(wèn)，汽車(chē)制造商面臨的挑戰是如何滿(mǎn)足消費者期望在車(chē)內獲得豐富的多媒體體驗。汽車(chē)制造商最為關(guān)心的是如何構建安全平臺、滿(mǎn)足車(chē)內外連接的需求。由于還要遵守嚴格的安全規定和要求，解決這些挑戰的難度又進(jìn)一步變大。

代工廠(chǎng)商要想獲得成功和保持領(lǐng)先就必須注意幾個(gè)趨勢。首先，當下有一個(gè)目標是將過(guò)去不同領(lǐng)域和時(shí)期的車(chē)內體驗整合到一起。這一目標主要是受汽車(chē)以類(lèi)似消費電子設備的方式運行和反應的期望所推動(dòng)。此外，車(chē)輛 電氣化 產(chǎn)生了大量關(guān)于車(chē)內和車(chē)外的數據。通常需要對這些數據加以實(shí)時(shí)的整合、處理，并轉換成可采取行動(dòng)的形式向車(chē)內的人呈現，進(jìn)一步強化采取整合解決方案的必要性。

最后，由于代工廠(chǎng)商設計和構建滿(mǎn)足無(wú)數預設安全和品質(zhì)門(mén)檻的車(chē)內體驗，成本問(wèn)題較以往變得更加至關(guān)重要。挑戰就是實(shí)現創(chuàng )新的同時(shí)能降低研發(fā)成本。在這個(gè)大背景下，嵌入式軟件在快速興起的汽車(chē)電子應用領(lǐng)域發(fā)揮主導作用就毫不奇怪了。

整合的車(chē)內體驗跨越不同領(lǐng)域

汽車(chē)電子在不斷進(jìn)步，從不需要嵌入式操作系統的簡(jiǎn)單的電子控制單元 (ECUs) 到如今可能需要多個(gè)操作系統的復雜的多功能電子控制單元。過(guò)去，嵌入式操作系統被當作獨立分開(kāi)的個(gè)體，但由于性能和安全的原因，這種情況將不復存在。操作系統是當下車(chē)輛最重要的元件，直接影響安全、安保和車(chē)內外設備、路邊基礎設施、云或外部其它車(chē)輛的連接性。

車(chē)內連接的需要涉及各種各樣的物理網(wǎng)絡(luò )間的通信。以太網(wǎng) (Ethernet)、以太網(wǎng)音視頻連接 (eAVB)、汽車(chē)音頻總線(xiàn) ® (A 2 B ® ) 和無(wú)線(xiàn)解決方案這類(lèi)更強的技術(shù)對傳統車(chē)內網(wǎng)絡(luò )技術(shù)起到了增補作用，如控制器局域網(wǎng)總線(xiàn) (CAN)、FlexRay 和局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò ) (LIN)。為控制線(xiàn)路復雜性個(gè)人網(wǎng)絡(luò )的設計通常是以特定應用程序的需求為導向，將連接不同車(chē)輛領(lǐng)域的網(wǎng)關(guān)電子控制單元聯(lián)系在一起。強大的片上系統 (SoC) 和軟件系統的結合讓汽車(chē)制造商能考慮新的合并的系統架構。這方面的一個(gè)例子是，一個(gè)聯(lián)合車(chē)載信息娛樂(lè )系統 (IVI) 和駕駛員信息駕駛艙不僅顯示信息娛樂(lè )選項，還疊加來(lái)自不同信息源的車(chē)輛運行數據，如速度、引擎狀態(tài)、安全指針(車(chē)道偏離警報系統 (LDWS) 數據)等。

電子控制單元和模塊整合

聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛擁有比以往任何時(shí)候都多的基于電子控制單元的功能。豪華車(chē)使用的電子控制單元已經(jīng)超過(guò)100個(gè)，下一個(gè)趨勢將是從8-16位微控制器向32位基于微處理器的片上系統、再向多核基礎架構遷移。這只有在復雜的片上系統的硬件成本繼續下降而硬件性能和能力不斷變好的情況下才有意義。

隨著(zhù)電子功能的增多，模塊整合的必要性變得更加明顯。新的電子控制單元被添加到汽車(chē)架構上后就出現了一系列的問(wèn)題。車(chē)輛線(xiàn)束的復雜性和重量增加了。車(chē)內出現越來(lái)越多的電子控制單元也將使標準化越來(lái)越受重視。隨著(zhù)硬件平臺的發(fā)展，重新設計軟件或重新構建系統以便在模塊之間移動(dòng)或整合功能性就成了新的挑戰。合作關(guān)系如汽車(chē)開(kāi)放系統架構 (AUTOSAR) 在為各種汽車(chē)軟件架構創(chuàng )造和建立開(kāi)放標準以解決這類(lèi)問(wèn)題方面表現不凡。汽車(chē)代工廠(chǎng)商、電氣供應商、芯片制造商和軟件公司均是AUTOSAR 的成員。

連線(xiàn)信息娛樂(lè )

現代汽車(chē)的信息娛樂(lè )系統擁有比以往任何時(shí)候都多的功能互動(dòng)，所以連通性的概念非常廣泛?，F代信息娛樂(lè )系統是駕駛者和乘客指揮和控制車(chē)上各種數據的生成和發(fā)布的駕駛艙。信息娛樂(lè )系統需要連接到車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )以便從多個(gè)電子控制單元收集數據，并報告自己的狀態(tài)。從外部來(lái)講，有連接智能設備的期望，這些越來(lái)越多地通過(guò)應用程序和技術(shù)，如蘋(píng)果 CarPlay (Apple CarPlay)、谷歌安卓汽車(chē) (Google Android Auto)、MirrorLink 實(shí)現。隨著(zhù)無(wú)人駕駛汽車(chē)的出現，信息娛樂(lè )功能現在還必須與其他車(chē)輛和外界連接。毫不奇怪，通常在車(chē)頭單元的信息娛樂(lè )系統已成為眾所周知的 汽車(chē)的大腦 。

鑒于這種對職責和功能的期望，嵌入式系統構成的駕駛艙是一項關(guān)鍵技術(shù)。Mentor Graphics 已經(jīng)向一個(gè)名叫 Connected OS™ 的概念投資，包括能極大地提高車(chē)內體驗的下一代解決方案所需的多層集成和連接(圖1)。

圖1：連線(xiàn)操作系統 (Connected OS) 的軟件平臺和開(kāi)發(fā)工具高級視圖。

創(chuàng )新跟上消費電子變革的速度

Connected OS 軟件擁有一個(gè)模塊、一個(gè)帶增強板支持包 (SuperBSP) 的基于 GENIVI 的 Linux 平臺和一個(gè)優(yōu)化的中間件層 (OPTstack)。箱外，該開(kāi)箱即用的軟件平臺提供關(guān)鍵技術(shù)，如快速啟動(dòng)、即時(shí)和優(yōu)化音頻/視頻功能--構建先進(jìn)的汽車(chē)應用程序所必需的功能。這方面的一個(gè)例子是，緊密集成的 Connected OS 架構可使系統快速啟動(dòng)并激活早期的音頻和視頻功能，這些對滿(mǎn)足帶備份相機的信息娛樂(lè )系統的要求來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

此外，Connected OS 針對新興的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)擁有中間件支持，如 eAVB、A 2 B 等。事先整合的 (eAVB) 軟件棧在開(kāi)發(fā)低延遲時(shí)間和實(shí)時(shí)通信的應用方面特別有幫助，如在 ADAS 中的應用(圖2)。除此之外，支持 eAVB 這類(lèi)協(xié)議加上視頻處理專(zhuān)長(cháng)讓基于 Connected OS 的系統擁有如后座娛樂(lè ) (RSE) 這類(lèi)功能。Connected OS 中的 eAVB 棧按 IEEE AVB 標準開(kāi)發(fā)并符合 AVnu Alliance 要求。支持的 IEEE(美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì ))安裝包括：IEEE 802.1AS、802.1Qat、802.1Qav、1722.1和1733。同樣的，Connected OS 中的對 A 2 B 軟件棧的支持讓汽車(chē)制造商能以更低的系統價(jià)格開(kāi)發(fā)音頻網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)提高車(chē)內音頻體驗。

Connected OS 作為一個(gè)基于軟件的解決方案可定制程度高，為汽車(chē)制造商提供創(chuàng )新的靈活性和為不同車(chē)款和車(chē)齡分類(lèi)。

圖2：一個(gè)針對IVI和ADAS應用的基于eAVB的網(wǎng)格經(jīng)典案例。

管理成本的同時(shí)實(shí)現安全和品質(zhì)目標

安全和安保一直是汽車(chē)廠(chǎng)商考慮的重中之重，隨著(zhù)無(wú)人駕駛汽車(chē)的出現，已經(jīng)出現更多的可為黑客和任何外界干擾源利用的無(wú)線(xiàn)“攻擊表面”。車(chē)輛架構的每一個(gè)層次都應考慮安保，從硬件到嵌入式軟件、應用程序和人為因素。軟件缺陷應盡可能地降到最低，繼續開(kāi)發(fā)對與安全息息相關(guān)的軟件的詳盡測試策略。通過(guò)細心劃分，很難完全被驗證的與安全息息相關(guān)的元素可被分開(kāi)并利用更為復雜的系統分別驗證。Mentor Graphics 已經(jīng)引進(jìn)了一個(gè)重要軟件混合的一體儀器集群解決方案，這讓經(jīng)驗證的與安全息息相關(guān)的圖形指示器與豐富的3D圖形在一個(gè)單一的顯示屏上整合起來(lái)(圖3)。這些與安全息息相關(guān)的圖形在一個(gè)安全的硬件區運行并在一個(gè)單獨的通過(guò)安全認證的 Nucleus ® SafetyCert™ 實(shí)時(shí)操作系統 (RTOS) 上運行，在外部干擾和拒絕服務(wù)方面使它盡可能地安全。

圖3：?jiǎn)蝹€(gè)片上系統上的重要軟件混合集群。

支持多個(gè)操作系統

Connected OS 的概念不僅僅包括一個(gè)基本的 Linux 操作系統。新的多核架構可容納多個(gè)操作系統，并且在它們之間實(shí)現緊密的通信聯(lián)系。這包括 AUTOSAR 基本軟件 (BSW) 操作系統、實(shí)時(shí)操作系統，如 Nucleus RTOS，甚至是讓安卓本地運行的鏈接，或在一個(gè) Linux 容器 (LXC) 里的操作系統。一旦使用多個(gè)操作系統，利用諸如 RPMsg 和 VirtIO 協(xié)議就可實(shí)現安全的通信，這樣在一個(gè)領(lǐng)域生成的信息就能被傳輸到另一個(gè)領(lǐng)域(圖 4 )。一個(gè)例子是需要在安保駕駛員信息集群顯示器上出現的電話(huà)狀態(tài)信息。在多核框架中分開(kāi)領(lǐng)域或通過(guò)使用內置管理程序可以對安保和分離進(jìn)行管理，與此同時(shí)優(yōu)化性能。

圖4：RPMsg和VirtIO的多域通信。

結論

在當今車(chē)輛生產(chǎn)當中嵌入式軟件的數量和價(jià)值仍在繼續增長(cháng)，汽車(chē)廠(chǎng)商需要確保他們采用了最新的能使系統安全互動(dòng)的技術(shù)。通過(guò)仔細使用行業(yè)標準和開(kāi)放源碼軟件來(lái)節約開(kāi)發(fā)成本已經(jīng)變得比以往任何時(shí)候都重要，而專(zhuān)注的平臺提供商，如 Mentor Graphics 正在為二級供應商設定新標準、利用合適的技術(shù)創(chuàng )新幫助一級廠(chǎng)商和他們的汽車(chē)代工廠(chǎng)商滿(mǎn)足生產(chǎn)時(shí)間的要求。