AUTOSAR 如何重塑汽車(chē)領(lǐng)域

前言、背景

自2003年組建以來(lái)，AUTOSAR(汽車(chē)開(kāi)放系統架構)聯(lián)盟一直致力于改變車(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) 及其一級供應商提供設計和開(kāi)發(fā)位于現代車(chē)輛中心的 ECU 的行業(yè)標準方法。該標準能幫助減少設計過(guò)程中人為錯誤的可能性，并為供應商和制造商提供一種明確且機器可讀的數據格式來(lái)交換設計信息。本文探討了 AUTOSAR 采用的戰略的一些預期商業(yè)益處，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) OEMs 以及由零部件和服務(wù)提供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 )造和建立全球性開(kāi)放標準。該標準在車(chē)輛架構級別提供支持，讓OEMs 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，并且還支持供應商在制造之前詳細定義獨立 ECUs 接口的細節。

1, 為何改用 AUTOSAR?

一款現代化豪華車(chē)可能包含多達100個(gè) ECUs，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。將它們一次性全部改用 AUTOSAR 方法和標準的風(fēng)險很高，但原始設備制造商和一級供應商做出這樣的改變會(huì )獲得廣泛的利益。預計到2020年，所有車(chē)輛都將擁有一些基于 AUTOSAR 的 ECUs，因此該標準不能被忽視。

改用 AUTOSAR 的一些原因和好處包括：

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)

能減少測試和安全認證成本

能減少下游設計錯誤 -- 一套 AUTOSAR 方法可讓功能得到架構級別的定義和驗證

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

能改善原始設備制造商和一級供應商之間的通信，使用一種標準化的數據交換格式(AUTOSAR XML 或 arxml)

改用 AUTOSAR 可加速設計調整，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 方法可與新的工具的工作流程等其它流程調整或采用更高的安全標準以保持與 ISO26262 標準統一同時(shí)進(jìn)行。不論如何實(shí)施調整，首個(gè)基于 AUTOSAR 的電子控制單元設計項目都要比現有/傳統的設計流程所花費的時(shí)間更長(cháng)，這是因為設計人員需要時(shí)間來(lái)熟悉新的方法。隨之而來(lái)的是成本節余和效益的提升。傳統的 ECU 資產(chǎn)向 AUTOSAR 標準轉變也是有可能的，通過(guò)采用“AUTOSAR 封裝”概念，重要的現有和公認電子控制單元應用代碼可實(shí)現重復使用。使 AUTOSAR 的封裝能夠導入其它純 AUTOSAR ECUs。

2, 什么是 AUTOSAR?

從本質(zhì)而言，AUTOSAR 提供標準的 ECU 接口定義，使設計人員能夠明確每個(gè)汽車(chē) ECU 中都需要的可重復使用的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)現便攜性和可重復使用(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 能夠基于所需的車(chē)輛功能進(jìn)行自上而下的設計。存在于這一設計階段的虛擬功能總線(xiàn) (VFB) 概念使得所有軟件電子控制單元都能夠實(shí)現互連和得到測試。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端口。AUTOSAR 為輸入和輸出端口以及交換信息格式提供定義。這種分離方法使得在定義相關(guān)硬件之前實(shí)現所有車(chē)輛軟件功能和接口交互驗證成為可能。設計調整也因此變得容易得多，同時(shí)所有功能在虛擬功能總線(xiàn)上都被定義為軟件組件(圖2)。

圖2：在虛擬功能總線(xiàn)上測試軟件組件。

虛擬功能總線(xiàn)不提供 ECUs之后在真實(shí)車(chē)輛中如何分布和互連的信息，但對架構設計階段來(lái)說(shuō)卻是很有用的測試基準?？舍槍λ熊?chē)輛信號進(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 )被映射或聚集到特定的硬件電子控制單元中。AUTOSAR 為軟件組件的映射和聚集過(guò)程提供支持。一個(gè)復雜的 ECU 可能包含很多軟件組件，必要時(shí)可進(jìn)行分級組織。

圖3：將軟件功能分配給真正的電子控制單元。

3, AUTOSAR 運行環(huán)境

每個(gè) ECU 都有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)際通信將作為 CAN 或 FlexRay 總線(xiàn)的一部分來(lái)實(shí)現，而運行環(huán)境通過(guò)生成工具進(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 AUTOSAR 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。

4, 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射。

運行環(huán)境不提供任何機制來(lái)從遠程 ECU 獲取服務(wù)，AUTOSAR 規范也不允許這樣做。所有服務(wù)要求都必須在“本地”電子控制單元上得到滿(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 “可運行實(shí)體”的概念。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。

5, 關(guān)于硬件

AUTOSAR 分層軟件架構可以分離硬件的應用邏輯，以便重復利用和攜帶。運行環(huán)境和操作系統與微控制器抽象層 (MCAL) 相連，可以訪(fǎng)問(wèn)主微控制器上的物理端口和設備。微控制器抽象層具體到每個(gè)微控制器，使操作系統和基礎軟件能夠訪(fǎng)問(wèn)數字輸入/輸出、模擬數字轉換、FLASH 和 EEPROM 支持等設備。圖4顯示了 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。

6, 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 設計工具允許提取單個(gè)ECU，連接性和接口信息在 AUTOSAR XML (arxml) 中有定義。這個(gè)接口定義之后將傳給一級供應商，進(jìn)行進(jìn)一步的細節設計和實(shí)施。由于擁有統一的格式，相同的定義可以在公開(kāi)投標時(shí)同時(shí)傳給幾個(gè)一級供應商。標準化描述的好處在于在ECU描述中可以避免任何設計不定性，并且隨著(zhù) AUTOSAR 標準的發(fā)展，存在誤解的可能性越來(lái)越小。由于這個(gè)標準與硬件無(wú)關(guān)，因此能夠很好地利用新行業(yè)趨勢的好處，如車(chē)內以太網(wǎng)、混合技術(shù)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )(CAN/Flexray)、異構多核平臺以及車(chē)載網(wǎng)關(guān)布置。

7, 想要試試看?

包括 Mentor Graphics 在內的一些商業(yè)機構為 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、FlexRay、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 一次性改到 AUTOSAR 方法來(lái)說(shuō)，低風(fēng)險調查和 AUTOSAR 試驗更可取。

研究報告總結

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)入每個(gè)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 )，但是也存在學(xué)習一個(gè)新的 ECU 設計流程和工具的挑戰。AUTOSAR 的早期采用者一直將這些知識傳給主流設計和資源，可用于量產(chǎn)的工具如今已廣泛推出。AUTOSAR 的采用還將幫助機構達到功能安全標準 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。