基于FPGA的汽車(chē)ECU設計充分符合AUTOSAR和ISO 26262標準(一)

　　如果汽車(chē)制造商要想經(jīng)濟高效地管理日益復雜的車(chē)輛功能，經(jīng) AUTOSAR 提倡的 ECU 系統架構的標準化則是必由之路。它能夠實(shí)現分布在 ECU 中的各項功能的高度集成和軟件組件的重復使用。AUTOSAR 的主要目的是定義一個(gè)統一的 ECU 架構，讓硬件與軟件分離。這樣 AUTOSAR 通過(guò)定義硬件無(wú)關(guān)的接口，可提高軟件的重復使用。換句話(huà)說(shuō)，如果按照 AUTOSAR 標準編寫(xiě)的軟件組件，只要正確集成到符合 AUTOSAR 標準的運行環(huán)境中，就能夠在任何廠(chǎng)商的微控制器上運行。

　　這項功能給汽車(chē)制造商帶來(lái)了更高的靈活性。由于 AUTOSAR 標準內在的即插即用特性，汽車(chē)制造商可以在整個(gè)汽車(chē)平臺上以透明的方式更換不同供應商開(kāi)發(fā)的相同軟件模塊的各個(gè)版本，且不會(huì )給汽車(chē)中其余功能的發(fā)揮造成負面效果。最終硬件和軟件實(shí)現彼此高度獨立。這種分離是通過(guò)標準軟件的 API 將抽象層互聯(lián)實(shí)現的。圖 1 是 AUTOSAR 定義的功能層的分解圖。

　　
圖1 從 MCU 到應用層的 AUTOSAR 分層模型

　　底部以黑色表示的是硬件層或物理層，由 MCU 自身（即 CPU 和與其相連的部分標準外設）構成。微控制器之上是基礎軟件（BSW），分為三層：粉色的微控制器抽象層 （MCAL）、綠色的 ECU 抽象層 （ECUAL） 和復雜驅動(dòng)程序、紫色的服務(wù)層（SRV）。這三層經(jīng)組織形成了多個(gè)列或協(xié)議棧（存儲器、通信、輸入/輸出等）。

　　緊貼硬件組件的是微控制器抽象層。正如其名所示，該層是 MCU 的抽象。該層的目的是提供一個(gè)硬件獨立的 API，負責處理微控制器中的硬件外設。微控制器抽象層的上一層是 ECU 抽象層，負責抽象 ECU 開(kāi)發(fā)板上的其他智能器件，一般直接與MCU接觸（例如，系統電壓調節器、智能交換控制器、可配置通信收發(fā)器等）。接下來(lái)的第三層是服務(wù)層。該層基本具有硬件獨立性，其作用是處理所需的不同類(lèi)型的背景服務(wù)。例如網(wǎng)路服務(wù)，系統看門(mén)狗的 NVRAM 處理或管理。通過(guò)這三層，AUTOSAR 定義了一套基礎軟件功能。這套軟件功能在特定的硬件平臺下支持著(zhù)汽車(chē) ECU 各高級抽象層的所有功能。

　　第四層是運行環(huán)境 （RTE），為應用軟件提供通信服務(wù)。它由可從上面的 BSW 層和應用層 （APP）共同訪(fǎng)問(wèn)的一套信號（發(fā)送器/接收器端口）和服務(wù)（客戶(hù)端和服務(wù)器端口）構成。該 RTE 從基礎軟件中抽象出應用，明確地勾勒出將通用的可交換軟件代碼 （APP））與特定的硬件相關(guān)代碼 （BSW） 分離的軟件協(xié)議棧架構。換句話(huà)說(shuō)，RTE可將軟件應用與硬件平臺分離。因此運行在 RTE 上的所有軟件模塊都具有平臺無(wú)關(guān)性。

　　在 RTE 之上，通過(guò)應用層，軟件架構方式從分層變?yōu)橐越M件為基礎。功能主要封裝在軟件組件 （SWC） 中。因此，完成 AUTOSAR 軟件組件接口的標準化是支持各項功能跨不同車(chē)輛平臺的ECU實(shí)現可擴展性和可移植性的中心環(huán)節。除復雜驅動(dòng)程序外，AUTOSAR 標準明確地規定了這些組件的 API 及特性。SWC 僅通過(guò)運行環(huán)境與其他模塊（ECU 間或內部）通信。

　　隨著(zhù) ECU 不斷集成越來(lái)越多的功能，FPGA 器件成為了單核或多核MCU 的明智替代。通過(guò)從總體上把握 AUTOSAR 的不同層次，可以預見(jiàn)設計人員將這種架構部署在可編程邏輯中所能帶來(lái)的優(yōu)勢。下文將更深入地介紹我們的設計如何實(shí)現基于定制靜態(tài)硬件（基于閃存或SRAM 的 FPGA 技術(shù)）的解決方案，然后將這種方法延伸為為一種運行時(shí)可重配置的硬件實(shí)現方案（基于 SRAM 的部分可重配置 FPGA）。