從系統(tǒng)級角度設計一個優(yōu)化的汽車網(wǎng)絡設計

汽車網(wǎng)絡的作用已從過去的降低布線成本和減輕重量，向從根本上支持最新汽車功能的實現(xiàn)方面轉變。當今的車內(nèi)分布式系統(tǒng)已有80多個由多種不同網(wǎng)絡連接起來的電子控制單元(ECU)。在“復用”(正如網(wǎng)絡時常被比稱的)初期引入的許多低效做法仍普遍存在。當今的挑戰(zhàn)在呼喚新的解決方法。

業(yè)內(nèi)專家表示，在可預見的將來，汽車上90%的創(chuàng)新將通過電子汽車架構實現(xiàn)。網(wǎng)絡是汽車電子工程架構的一個主要建構元素，因此應該予以足夠重視。復雜的分布式功能的成功實現(xiàn)依賴可靠的網(wǎng)絡。網(wǎng)絡配置(以成為一個共享資源)的確提出了一個必須在系統(tǒng)級才能解決的嚴峻挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡設計挑戰(zhàn)

十幾年以來，汽車內(nèi)復用網(wǎng)絡的設計一直延續(xù)自下而上的工程實現(xiàn)方法，鮮有例外。該方法專注于直接相關的ECU之間的協(xié)議“資訊”，而把總線上隨機交互行為的影響交由測試解決。“先建構再測試”一直是主導性做法。在汽車項目開發(fā)后期發(fā)現(xiàn)的錯誤是昂貴的，而且改正起來風險很大，因為它存在引入第二級錯誤的高風險性。

當今的網(wǎng)絡設計實踐常常意味著，先實現(xiàn)設計而后再驗證。這與業(yè)界在任何其它技術領域的做法(即先驗證、再實現(xiàn))都不同。

時域的可預測性是實現(xiàn)可靠性和效率目標的關鍵因素。時序要求描述一個功能正確時必須產(chǎn)生的行為。時序行為決定系統(tǒng)將要做什么，換句話說，它表達了系統(tǒng)行為的一種模式。時序要求很關鍵，它代表著設計要求以及測試的目標。如圖1中所示，時序模型可用于描述整條時序鏈上端至端的不同元素。

時序分析可被施加于時序行為，以產(chǎn)生可與時序要求比對的結果。已知的時序要求和時序行為都是時序分析的基本前提。

作為一個范例，我們應當更仔細地考察一個已經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證的方法學和工具，即Vehicle Network Architect(VNA)。

Vehicle Network Architect

實現(xiàn)正確時序模型的工具可以最簡單的方式執(zhí)行人工創(chuàng)建的通信矩陣的分析，以計算在總線上發(fā)送的信息的最大時延，并檢查它是否在最低要求之內(nèi)，該最低要求可從汽車功能的端至端時序要求中推導出來。有趣的是，在更高端的應用場合，這樣一種工具可根據(jù)輸入文件聲明的要求執(zhí)行完整的簇綜合和網(wǎng)關配置。該模式提供全自動的幀創(chuàng)建、信號打包和進度表生成。

為了能對設計師有實際幫助作用，這樣一種工具必須能夠處理車內(nèi)所用的全部協(xié)議，并確保透明的信號傳輸和保證的通過網(wǎng)關及多個不同總線的端至端時延。

當今汽車電子工程系統(tǒng)中占主導地位的網(wǎng)絡方案是控制器局域網(wǎng)(CAN)和本地互連網(wǎng)(LIN)。為滿足對安全有極高要求的應用對更高帶寬的要求，業(yè)界啟動了FlexRay的開發(fā)。在可預見的未來，這些協(xié)議將共存于車中。這是因為，每個協(xié)議都有特定的應用領域，而且它是該領域成本最優(yōu)的解決方案。

系統(tǒng)級設計

系統(tǒng)級設計(SLD)常被稱為電子設計自動化(EDA)的下一個前沿，業(yè)界期望它能給汽車行業(yè)帶來實質性的生產(chǎn)力和效率的提高?；赟LD方法開發(fā)出來的解決方案是正確的和經(jīng)過優(yōu)化的，它不再是一種需要對由不同檔次和多個供應商組成的供應鏈提供的器件進行冗長集成測試的候選方案。

不借助先進工具，就無法實現(xiàn)這一過程。以每家主要OEM采用不同專有解決方案為特征的細分市場在以前不太適合部署這種產(chǎn)品。為了發(fā)揮 SLD的潛能，并把對EDA行業(yè)的關注引導到汽車應用，需要一個范式轉移(paradigm shift)。

AUTOSAR

汽車開放系統(tǒng)架構(AUTOSAR)是一個新興的汽車軟件架構標準。在定義一個帶指定功能和接口的多層軟件架構、以及描述配置數(shù)據(jù)的文件格式方面，業(yè)界已做了許多工作。一個詳盡的元模型(metamodel)為它提供了很好的補充，從而為創(chuàng)新性SLD工具的問世鋪平了道路。

VNA回顧

VNA是基于整體概念構建的，它為車內(nèi)分布式實時網(wǎng)絡定義了一個獨立于協(xié)議的設計方法學。該概念處理技術和非技術實體(即：在開發(fā)階段把責任分配給完善定義的角色)。愿景是“保證設計正確性”。大多數(shù)與系統(tǒng)相關的問題可在項目早期被確認和解決。該概念以可保證的信息時延以及基于信號的發(fā)布/訂閱通信模式這兩點為根基。它通過隱藏網(wǎng)絡和協(xié)議細節(jié)提供了抽象，從而允許開發(fā)者工作在以信號、功能和相關時序信息為素材的應用環(huán)境中。

VNA是為支持這樣一個開發(fā)流程設計的：它以嚴格的系統(tǒng)工程原則為基礎、以解讀需求為肇始、然后使用戶參與各個階段、最后以實現(xiàn)一個具有完全可預見時序行為的高度優(yōu)化的設計為目標。明確區(qū)分角色、分派任務是該工具背后理念的一部分(圖3)。

確切定義網(wǎng)絡需要大量信息。為支持數(shù)據(jù)輸入，VNA采用基于XML的格式、提供對來自第三方工具的自動輸入，它是借助GUI的人工數(shù)據(jù)輸入的一種替代。一個內(nèi)置的多層一致性校驗器對全部數(shù)據(jù)進行校驗。

VNA內(nèi)的工作流程確保所有與網(wǎng)絡相關的信息都被收集到。將首先創(chuàng)制全局目標，然后它們在幾個項目內(nèi)被重復使用。VNA用戶與諸如信號/節(jié)點/接口等目標類型打交道。用這些目標構建汽車所用的網(wǎng)絡。信號由名稱和類型定義，還可附加邏輯或物理編碼信息。對接口的詳盡硬件要求進行定義，從而描述出網(wǎng)絡的實際節(jié)點。對每個節(jié)點，都對接收和發(fā)射信號進行定義并提供信號的時序要求。該信息是為“全局使用”的，它遍歷不同的車型和平臺等。當所用全局數(shù)據(jù)都被采集到后，則通過期望的配置把接口連接起來，網(wǎng)絡就這樣被設計出來了。

VNA具有很強的項目和衍生項目處理能力。不同配置可選擇性使用或適應全局目標，例如：可把高端特性從一款低端車型中剝離出來。這意味著具有版本和變異處理能力的VNA可管理多個配置、設計和發(fā)布。

所有數(shù)據(jù)目標，無論是全局的還是針對配置的，都存儲在一個公共數(shù)據(jù)庫中。所有復雜、費時的VNA操作都傾向于在數(shù)據(jù)庫的本地RAM鏡像內(nèi)完成以縮短響應時間。

VNA工具內(nèi)置了豐富的一致性檢查功能。可根據(jù)需要啟動一致性檢查，它通常連續(xù)對用戶輸入進行查驗、當發(fā)現(xiàn)錯誤時立即報警。一致性檢查確保網(wǎng)絡設計遵循全部預先定義的規(guī)則。

時序分析/框架編譯

為在VNA內(nèi)進行時序分析的開發(fā)和定義進行了許多努力。針對CAN進行的時序分析構建在稱為截至期限單調分析(DMA)的進度模型上，并對在總線上發(fā)送的一組規(guī)定幀的每一幀都進行最壞情況時延計算。該功能的一部分業(yè)已被設計進一致性檢查算法內(nèi)，但VNA工具的真實效能在幀打包/幀編譯功能中得以充分體現(xiàn)。

幀打包/幀編譯試圖把信號以最適當?shù)姆绞椒殖蓭?，而不是為每一幀計算合適的ID，從而確保在流程早期采集到的全部時序要求盡可能被滿足(一些要求可能代表不可預見的情況)。把多個信號自動分組成幀的作法使數(shù)據(jù)總線的效率更高，因它分攤了一些涉及到協(xié)議的開銷，從而降低了總線負載(圖4)。除帶寬方面的好處外，多信號/每幀和完美的濾波減少了ECU內(nèi)CPU的中斷干預和工作量。為處理不可配置的留存(carry-over)節(jié)點，可將其附帶的幀定義為“固定”。若需要，還可進行人工幀分組。

網(wǎng)關

一個網(wǎng)絡一般包含采用不同協(xié)議的多個網(wǎng)絡部分。信號可能通過網(wǎng)關節(jié)點從一部分傳送到另一部分。數(shù)據(jù)的網(wǎng)關流布(即使穿越多個協(xié)議)是由VNA自動配置的。處理一個或多個網(wǎng)關的時序要求也都由VNA完成。這一解決方案不需任何特殊的網(wǎng)關硬件。

VNA輸出

VNA自動生成表述整個網(wǎng)絡的一系列配置文件，以及系統(tǒng)內(nèi)針對每個節(jié)點的專門配置數(shù)據(jù)。利用可配置節(jié)點使系統(tǒng)很靈活，因該概念把依賴應用和依賴網(wǎng)絡的信息分割開。系統(tǒng)集成商對網(wǎng)絡的改變可容易地施加于汽車且無需非要為ECU重新編譯應用軟件。用于控制第三方分析和測量工具的各種文件可作為選項生成。

VNA工具使OEM可容易地與其客戶分享數(shù)據(jù)，對FIBEX和XML等標準的支持進一步簡化了信息共享并為配置第三方通信層打下基礎。

本文小結

堅持用自動化工具實現(xiàn)確定性調度明顯提升了可靠性和效能，并使網(wǎng)絡設計變成一種可重復的流程。因網(wǎng)絡正確性由設計把關，所以剩下的唯一需驗證的工作是對實現(xiàn)正確性本身的驗證。