|
前言、背景 自2003年組建以來，AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）聯(lián)盟一直致力于改變車載網(wǎng)絡(luò)和電子控制單元 (ECU) 的設(shè)計方式。AUTOSAR 為原始設(shè)備制造商 (OEM) 及其一級供應(yīng)商提供設(shè)計和開發(fā)位于現(xiàn)代車輛中心的 ECU 的行業(yè)標準方法。該標準能幫助減少設(shè)計過程中人為錯誤的可能性，并為供應(yīng)商和制造商提供一種明確且機器可讀的數(shù)據(jù)格式來交換設(shè)計信息。本文探討了 AUTOSAR 采用的戰(zhàn)略的一些預(yù)期商業(yè)益處，并解釋了一些基本術(shù)語和設(shè)計方法。 AUTOSAR 聯(lián)盟的會員包括汽車 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(tǒng)。該聯(lián)盟的宗旨是針對汽車電氣/電子 (E/E) 架構(gòu)創(chuàng)造和建立全球性開放標準。該標準在車輛架構(gòu)級別提供支持，讓OEMs 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員能設(shè)計和管理車輛功能之間的復(fù)雜關(guān)系，并且還支持供應(yīng)商在制造之前詳細定義獨立 ECUs 接口的細節(jié)。 1, 為何改用 AUTOSAR？ 一款現(xiàn)代化豪華車可能包含多達100個 ECUs，包括從簡單的傳感器接口到復(fù)雜的娛樂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(shè)備制造商和一級供應(yīng)商做出這樣的改變會獲得廣泛的利益。預(yù)計到2020年，所有車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： 能在新的汽車平臺和架構(gòu)中更好地重新使用電子控制單元 能更好地使用預(yù)先驗證和測試過的軟件組件（代表車輛功能） 能減少測試和安全認證成本 能減少下游設(shè)計錯誤 -- 一套 AUTOSAR 方法可讓功能得到架構(gòu)級別的定義和驗證 通過改善網(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(gòu)分析和設(shè)計審查的成本 能改善原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商之間的通信，使用一種標準化的數(shù)據(jù)交換格式（AUTOSAR XML 或 arxml） 改用 AUTOSAR 可加速設(shè)計調(diào)整，不論在整個內(nèi)部設(shè)計周期內(nèi)是否需要對 ECU 進行重新設(shè)計或改進。改用 AUTOSAR 方法可與新的工具的工作流程等其它流程調(diào)整或采用更高的安全標準以保持與 ISO26262 標準統(tǒng)一同時進行。不論如何實施調(diào)整，首個基于 AUTOSAR 的電子控制單元設(shè)計項目都要比現(xiàn)有/傳統(tǒng)的設(shè)計流程所花費的時間更長，這是因為設(shè)計人員需要時間來熟悉新的方法。隨之而來的是成本節(jié)余和效益的提升。傳統(tǒng)的 ECU 資產(chǎn)向 AUTOSAR 標準轉(zhuǎn)變也是有可能的，通過采用“AUTOSAR 封裝”概念，重要的現(xiàn)有和公認電子控制單元應(yīng)用代碼可實現(xiàn)重復(fù)使用。使 AUTOSAR 的封裝能夠?qū)肫渌?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(shè)計人員能夠明確每個汽車 ECU 中都需要的可重復(fù)使用的標準化軟件層和組件。該標準不受硬件的影響，這意味著應(yīng)用軟件和硬件平臺是相互獨立的。應(yīng)用軟件開發(fā)人員可在應(yīng)用軟件中明確各個汽車功能的細節(jié)，而不用擔心相關(guān)軟件服務(wù)和硬件接口。過去，軟件和硬件緊密地整合在一起，因此很難實現(xiàn)便攜性和可重復(fù)使用（圖1）。 
圖1：將應(yīng)用軟件與硬件分開。 將設(shè)計與硬件決策分開使車輛生產(chǎn)商/OEM 能夠基于所需的車輛功能進行自上而下的設(shè)計。存在于這一設(shè)計階段的虛擬功能總線 (VFB) 概念使得所有軟件電子控制單元都能夠?qū)崿F(xiàn)互連和得到測試。通過采用虛擬功能總線，應(yīng)用軟件組件 (SWC) 與其它應(yīng)用軟件組件也相互獨立。軟件組件向虛擬功能總線發(fā)出輸出信號，虛擬功能總線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)硬件之前實現(xiàn)所有車輛軟件功能和接口交互驗證成為可能。設(shè)計調(diào)整也因此變得容易得多，同時所有功能在虛擬功能總線上都被定義為軟件組件（圖2）。
圖2：在虛擬功能總線上測試軟件組件。 虛擬功能總線不提供 ECUs之后在真實車輛中如何分布和互連的信息，但對架構(gòu)設(shè)計階段來說卻是很有用的測試基準。可針對所有車輛信號進行定時檢查和接口定義。 一旦設(shè)計人員對各項功能感到滿意，這些功能便會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程提供支持。一個復(fù)雜的 ECU 可能包含很多軟件組件，必要時可進行分級組織。
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 ECU 都有它量身定制的運行環(huán)境 (RTE)，通常可通過配套的設(shè)計工具來自動創(chuàng)建。真正的電子控制單元之間的實際通信將作為 CAN 或 FlexRay 總線的一部分來實現(xiàn)，而運行環(huán)境通過生成工具進行配置，以便執(zhí)行相連 AUTOSAR 組件所需的通信路徑。運行環(huán)境可以切實執(zhí)行虛擬功能總線和架構(gòu)設(shè)計流程的通信和連接拓撲。由于 AUTOSAR 標準支持很多不同類型的軟件組件，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(chǔ)軟件層和操作系統(tǒng) 基礎(chǔ)軟件 (BSW) 是一種標準化軟件，不包含車輛應(yīng)用邏輯和電子控制單元功能，但為運行環(huán)境提供依賴硬件和獨立于硬件的服務(wù)。所需的服務(wù)包括內(nèi)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(yīng)用層中定義的 AUTOSAR 軟件組件要求服務(wù)時，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從遠程 ECU 獲取服務(wù)，AUTOSAR 規(guī)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足。在真正的電子控制單元上運行的基本操作系統(tǒng)（OS 或 OSEK）不知道 AUTOSAR “可運行實體”的概念。操作系統(tǒng)擁有一個可調(diào)度活動列表，這些活動通過調(diào)度算法進行管理。 5, 關(guān)于硬件 AUTOSAR 分層軟件架構(gòu)可以分離硬件的應(yīng)用邏輯，以便重復(fù)利用和攜帶。運行環(huán)境和操作系統(tǒng)與微控制器抽象層 (MCAL) 相連，可以訪問主微控制器上的物理端口和設(shè)備。微控制器抽象層具體到每個微控制器，使操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件能夠訪問數(shù)字輸入/輸出、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、FLASH 和 EEPROM 支持等設(shè)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 OEM 可以通過一個自上而下的 AUTOSAR 設(shè)計方法，操作整個網(wǎng)絡(luò)的完整模型。AUTOSAR 設(shè)計工具允許提取單個ECU，連接性和接口信息在 AUTOSAR XML (arxml) 中有定義。這個接口定義之后將傳給一級供應(yīng)商，進行進一步的細節(jié)設(shè)計和實施。由于擁有統(tǒng)一的格式，相同的定義可以在公開投標時同時傳給幾個一級供應(yīng)商。標準化描述的好處在于在ECU描述中可以避免任何設(shè)計不定性，并且隨著 AUTOSAR 標準的發(fā)展，存在誤解的可能性越來越小。由于這個標準與硬件無關(guān)，因此能夠很好地利用新行業(yè)趨勢的好處，如車內(nèi)以太網(wǎng)、混合技術(shù)車輛網(wǎng)絡(luò)(CAN/Flexray)、異構(gòu)多核平臺以及車載網(wǎng)關(guān)布置。 7, 想要試試看？ 包括 Mentor Graphics 在內(nèi)的一些商業(yè)機構(gòu)為 AUTOSAR 設(shè)計提供評估套件。這些套件包括架構(gòu)設(shè)計到單個 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 硬件開發(fā)板。這些工具以Eclipse為基礎(chǔ)，利用開源工具鏈進行從源代碼到運行實施的一系列設(shè)計。相對于大規(guī)模地將車內(nèi) ECU 一次性改到 AUTOSAR 方法來說，低風(fēng)險調(diào)查和 AUTOSAR 試驗更可取。 研究報告總結(jié) AUTOSAR 為車載網(wǎng)絡(luò)和 ECU 設(shè)計提供預(yù)定義的標準方法，找到了進入每個汽車 OEM 和一級機構(gòu)的方式。AUTOSAR 標準提供了改善工藝和重新利用組件的機會，但是也存在學(xué)習(xí)一個新的 ECU 設(shè)計流程和工具的挑戰(zhàn)。AUTOSAR 的早期采用者一直將這些知識傳給主流設(shè)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(gòu)達到功能安全標準 ISO26262的要求，因為它支持一個可重復(fù)、定義明確、且自上而下的設(shè)計流程。 作者簡介 Andrew Patterson 是 Mentor Graphics 嵌入式軟件事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)，汽車市場是他的專長。加入 Mentor Graphics 之前，Andrew 在設(shè)計自動化市場馳騁超過25年的時間，精通各種技術(shù)、汽車仿真模型開發(fā)、虛擬原型設(shè)計和機電一體化。目前，他在 Mentor Graphics 主要負責嵌入式軟件戰(zhàn)略，包括運行于多種主機硅平臺上的 Linux、AUTOSAR 和其他操作系統(tǒng)。Andrew 擁有英國劍橋大學(xué) (Cambridge University) 的工程和電子科學(xué)碩士學(xué)位。 |
