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作者：Andrew Patterson 如今汽車制造商想在創新、降低零件成本、快速推向市場這三個方面取得成功變得更加困難。駕駛員和乘客都期待智能手機和平板電腦所具備的功能成為車內電子系統的一部分。 近年來一些原先作為高端、頂配而引入的功能已經低廉化，越來越多的車款搭載了這些功能。有一種新趨勢是相互競爭的汽車品牌制造商使用同一種技術 -- 如信息娛樂系統的 GENIVI Linux 平臺。但為吸引和保有客戶進行創新和 OEM（原始設備制造商品牌）差異化的需求依然強勁。將專有、內部開發的嵌入式軟件與開放源代碼包結合在一起的方式是一種越來越受追捧的解決方案。 Mentor Graphics 開發的“概念驗證”參考平臺可以靈活地按具體設計定制、可用安全的汽車級代碼包提供客戶要求的功能。該特殊平臺可根據當前市場趨勢進行設計，包括：駕駛員信息模塊 (DIM)；汽車信息娛樂；智能手機和平板電腦整合；先進的駕駛輔助系統 (ADAS) 功能；與現有車內網絡一同工作的基于AUTOSAR標準的通信能力。通過在一個汽車硬件參考平臺上引入 Type-1 嵌入式虛擬機 (embedded hypervisor) 進行核心設計實現對此技術的整合，本例中使用了最近被 Mentor Graphics 收購的 XS Embedded GmbH (XSe) 的 汽車級 AXSB。 本設計面臨一些挑戰，其中包括：保持每個被運行的應用程序的性能可接受、共享可用的硬件資源、管理安全的域間通信。 滿足概念要求 Linux 作為得力的多任務操作系統已經逐漸為汽車制造商所接受，它能運行高端的圖形化汽車應用程序、支持多種外圍設備，如相機、USB 設備、音頻和多媒體功能設備。駕駛員信息模塊 (DIM)、車輛報警系統和控制對計算資源要求不高，但仍需要確保性能和一個穩定的顯示屏顯示重要的安全狀態信息。為實現這些功能，采用安全的實時操作系統 (RTOS) 非常合適。車輛控制領域網絡 (CAN)、FlexRay 或其它網絡獲取的信息可以提供給實時操作系統。 設計要求是將這兩個獨立的操作系統（Linux 和 RTOS）以及運行的應用程序整合到一個硬件參考平臺上，并且可以借助 AUTOSAR 4.0.3 標準界面（圖1）實現 CAN（車輛控制局域網）通信。車輛設計者必須整合消費電子設備已成事實，95%以上的市場通過提供對蘋果 iOS 和谷歌 Android 設備支持滿足這一需求。其它標準正在這一領域出現，Mentor 的概念驗證平臺包括 MirrorLink support、Apple CarPlay 和 Google Android Auto。 通過選擇多核參考平臺降低要素成本、實現硬件整合。這降低了車輛組件的數量以及電子線束設計的相關成本。所用 XSe AXSB 平臺搭載了德州儀器公司 (Texas Instruments) J6 多核 CPU（中央處理器和瑞薩電子公司 (Renesas) V850 MCU（微程序控制器）。AXSB 還包括許多針對以太網(ethernet)、串口 /USB、電臺調諧器、倒車攝像頭輸入電路和 CAN 收發器等眾多支持性外圍組件。一種基于 Yocto 且符合 GENIVI 的 Linux 發行套件已經針對該平臺進行了高度優化，可實現快速開機。而且，一些重要的 Linux 組件（如音頻管理和圖形管理層）已經得到了“加固”。改善后的內存組件和引導裝載程序讓 Linux 操作系統在兩秒鐘之內就能正常運行，滿足汽車制造商對信息娛樂和導航系統的要求。 Mentor Graphics 的 Nucleus RTOS（實時操作系統）占用的資源少、啟動快，因此被選作駕駛員信息模塊 (DIM) 的操作系統。該操作系統可配置性高、擁有一個針對流行的駕駛員信息模塊(DIM)圖形支持應用軟件的標準界面 Open GLES2。利用遠程協議消息（Remote Protocol Messaging， RPMsg）進行穩定的通信，讓駕駛員信息模塊 (DIM) 軟件棧向信息娛樂系統和 AUTOSAR 軟件棧傳送實時數據。 消費電子集成 時下汽車制造商無法逃避的是 -- 需要支持基于蘋果 iOS 系統和基于谷歌 Android 系統的設備。通常智能手機和平板電腦制造商的創新周期不足一年，因此需要一種普遍支持的可以連接這些設備和車內電子系統的方法，并且在整個車輛使用年限之內這一方法都能用。早期的系統使用藍牙 (Bluetooth)，但藍牙技術沒有進行多媒體整合的帶寬，也不支持后座娛樂的視頻流。USB 是一種公認的連接方法，Wi-Fi（無線網絡）車內鏈接正在逐漸用于視聽信息傳輸，同時提供車內熱點從而支持多設備客戶。成立汽車連接聯盟 (CCC) 是為了推動和提議 MirrorLink 成為行業整合智能設備的標準方法。借助 MirrorLink 可通過信息娛樂管理設備遠程訪問、顯示和控制基于手機的應用軟件。執行者可以控制哪些應用軟件可用以及如何訪問 -- 是通過觸摸屏用戶界面還是安裝在方向盤上的按鈕。多設備制造商和車輛 OEM（原始設備制造商）是汽車連接聯盟 (CCC) 成員，有幾款采用了該技術的產品已經處于生產階段。蘋果公司 (Apple) 已經推出具有類似功能的專有 CarPlay 解決方案。 如今任何一款新車上都應擁有智能設備集成功能。它讓駕駛員能立即訪問聯系人、音樂、視頻和最愛的應用軟件，以及利用智能設備連接4G/LTE網絡。這樣可以實時訪問云服務，如導航、禮賓服務、個人電子郵箱等。Mentor 參考設計包括實施 MirrorLink 標準和可以通過10英寸觸摸屏界面執行所有智能手機的功能。 
圖 1：參考設計概要。 多重操作系統架構 運行虛擬機的虛擬層是一種允許 Linux 和 Nucleus RTOS 在一個硬件平臺上同時運行的簡潔方式。每個操作系統在一個專用的虛擬機上運行并共享 AXSB 平臺上可用的硬件資源。不同操作域間的通信可以利用 RPMsg 協議用一種可控制的方法進行，這樣應用軟件之間就可以共享一些數據。也可以通過設定權限來管理資源、拒絕對某些系統功能的訪問。這樣在信息娛樂系統中可能安裝或下載了不可信或未認證的應用軟件時就可以進行某種程度的隔離。 開機順序也經過了仔細考慮。通常車上的 CAN 總線通信應該在 50ms 內激活，但同時還要求信息娛樂和駕駛員信息模塊要快速完成初始化。在這個參考設計中，基于 AUTOSAR 的 CAN 通信棧在 Renesas V850 MCU 上完成初始化，與 J6 多核 CPU 同時運行。RPMsg 通信引擎快速啟動，以便在域間傳送早期的交通狀態（圖2）。
圖2：單個系統芯片(SoC)上的多域啟動架構。 構建信息娛樂系統 概念驗證參考設計包括了一些功能樣例，包括軟件無線電臺調諧器、后視攝像頭輸入、多媒體視頻和音頻播放器和車內系統功能，如 HVAC（暖通空調）控制和胎壓監測系統。胎壓監測儀所涉及到的功能具有代表性，它的數據源來自汽車遠端的某一部分，低壓或輪胎完全沒氣時，相關信息必須優先通過 CAN 總線發送并立即顯示在駕駛員信息屏上。因為設定了顯示優先次序，警示屏幕覆蓋了默認的信息娛樂主頁屏幕。 利用 CAN 信息生成器（ETAS BusMaster 模擬器）對該系統進行了測試，見圖3。
圖 3：利用ETAS BusMaster 生成 CAN通信量測試參考設計。 調整開機順序還用到了其它幾種工具，包括 Mentor Graphics XSe XSTrace 和 Mentor Graphics Sourcery Analyzer。通過監測初始化和開機順序，駕駛員和進程可以重新排序并節約寶貴的時間。開機優化是一個迭代的過程，不重要的系統任務和進程會被及時地移出，為重要的汽車功能更早地出現讓路。 為確保 DIM 的幀刷新率達到60幀/s或更快還使用了圖形-性能微調工具。為確保車內信息娛樂 (IVI) 和 DIM 模塊在關鍵時刻收到圖形帶寬，GPU（圖形處理器）共享架構包括了負載平衡和資源優化。這一進程涉及 GENIVI Wayland 元件、Open GLES2 參與的多層調諧，以及用于顯示屏幕圖像的專有顯示工具層。對屏幕分辨率和性能之間的權衡進行分析，從而保證可視性較高、性能優于說明書。 最終得到的是一個我們認為符合現有市場趨勢的概念設計，并且在當今競爭激烈的汽車市場上它可能具有節省時間和開發周期的潛力。 結論 在當今快速發展的汽車電子市場上，從頭開始設計已經不可取 -- 它在研究上花費很多年的時間才能找到正確的解決方案。利用預先建立的參考設計概念，設計者可以選擇一些困難的性能和整合問題得到解決的節點作為設計起點，在此基礎上加入他們自己的IP（知識產權）和最終的定制要求，從而縮短上市時間并搭載用戶直接可用的功能來滿足當前市場的需求。 作者簡介 Andrew Patterson 是 Mentor Graphics 嵌入式系統事業部市場與業務發展總監。該事業部特別關注汽車電子，Andrew 最近負責了這一領域的多個產品項目，在多個硬件平臺上研究 Linux 和 RTOS 解決方案。加入 Mentor 之前，Andrew 在設計自動化市場馳騁了20余年，精通的技術包括電子線束設計、汽車仿真模型開發、虛擬原型和機電一體化。Andrew 擁有英國劍橋大學 (Cambridge University) 的工程和電子科學碩士學位。 |
