嵌入式軟件正加速當(dāng)今汽車的連接和創(chuàng)新

電子設(shè)計自動化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《嵌入式軟件正加速當(dāng)今汽車的連接和創(chuàng)新》的研究報告。了解更多信息請登錄：http://automotive.cn.mentor.com/。

汽車工業(yè)正在呈現(xiàn)不可思議的變化。提到當(dāng)今現(xiàn)代化的汽車不得不說消費(fèi)者和汽車代工廠商同樣都在適應(yīng)這個千變?nèi)f化的時代。毫無疑問，汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)是如何滿足消費(fèi)者期望在車內(nèi)獲得豐富的多媒體體驗(yàn)。汽車制造商最為關(guān)心的是如何構(gòu)建安全平臺、滿足車內(nèi)外連接的需求。由于還要遵守嚴(yán)格的安全規(guī)定和要求，解決這些挑戰(zhàn)的難度又進(jìn)一步變大。

代工廠商要想獲得成功和保持領(lǐng)先就必須注意幾個趨勢。首先，當(dāng)下有一個目標(biāo)是將過去不同領(lǐng)域和時期的車內(nèi)體驗(yàn)整合到一起。這一目標(biāo)主要是受汽車以類似消費(fèi)電子設(shè)備的方式運(yùn)行和反應(yīng)的期望所推動。此外，車輛 電氣化 產(chǎn)生了大量關(guān)于車內(nèi)和車外的數(shù)據(jù)。通常需要對這些數(shù)據(jù)加以實(shí)時的整合、處理，并轉(zhuǎn)換成可采取行動的形式向車內(nèi)的人呈現(xiàn)，進(jìn)一步強(qiáng)化采取整合解決方案的必要性。

最后，由于代工廠商設(shè)計和構(gòu)建滿足無數(shù)預(yù)設(shè)安全和品質(zhì)門檻的車內(nèi)體驗(yàn)，成本問題較以往變得更加至關(guān)重要。挑戰(zhàn)就是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的同時能降低研發(fā)成本。在這個大背景下，嵌入式軟件在快速興起的汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用就毫不奇怪了。

整合的車內(nèi)體驗(yàn)跨越不同領(lǐng)域

汽車電子在不斷進(jìn)步，從不需要嵌入式操作系統(tǒng)的簡單的電子控制單元 (ECUs) 到如今可能需要多個操作系統(tǒng)的復(fù)雜的多功能電子控制單元。過去，嵌入式操作系統(tǒng)被當(dāng)作獨(dú)立分開的個體，但由于性能和安全的原因，這種情況將不復(fù)存在。操作系統(tǒng)是當(dāng)下車輛最重要的元件，直接影響安全、安保和車內(nèi)外設(shè)備、路邊基礎(chǔ)設(shè)施、云或外部其它車輛的連接性。

車內(nèi)連接的需要涉及各種各樣的物理網(wǎng)絡(luò)間的通信。以太網(wǎng) (Ethernet)、以太網(wǎng)音視頻連接 (eAVB)、汽車音頻總線 ® (A 2 B ® ) 和無線解決方案這類更強(qiáng)的技術(shù)對傳統(tǒng)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)起到了增補(bǔ)作用，如控制器局域網(wǎng)總線 (CAN)、FlexRay 和局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) (LIN)。為控制線路復(fù)雜性個人網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計通常是以特定應(yīng)用程序的需求為導(dǎo)向，將連接不同車輛領(lǐng)域的網(wǎng)關(guān)電子控制單元聯(lián)系在一起。強(qiáng)大的片上系統(tǒng) (SoC) 和軟件系統(tǒng)的結(jié)合讓汽車制造商能考慮新的合并的系統(tǒng)架構(gòu)。這方面的一個例子是，一個聯(lián)合車載信息娛樂系統(tǒng) (IVI) 和駕駛員信息駕駛艙不僅顯示信息娛樂選項(xiàng)，還疊加來自不同信息源的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，如速度、引擎狀態(tài)、安全指針(車道偏離警報系統(tǒng) (LDWS) 數(shù)據(jù))等。

電子控制單元和模塊整合

聯(lián)網(wǎng)車輛擁有比以往任何時候都多的基于電子控制單元的功能。豪華車使用的電子控制單元已經(jīng)超過100個，下一個趨勢將是從8-16位微控制器向32位基于微處理器的片上系統(tǒng)、再向多核基礎(chǔ)架構(gòu)遷移。這只有在復(fù)雜的片上系統(tǒng)的硬件成本繼續(xù)下降而硬件性能和能力不斷變好的情況下才有意義。

隨著電子功能的增多，模塊整合的必要性變得更加明顯。新的電子控制單元被添加到汽車架構(gòu)上后就出現(xiàn)了一系列的問題。車輛線束的復(fù)雜性和重量增加了。車內(nèi)出現(xiàn)越來越多的電子控制單元也將使標(biāo)準(zhǔn)化越來越受重視。隨著硬件平臺的發(fā)展，重新設(shè)計軟件或重新構(gòu)建系統(tǒng)以便在模塊之間移動或整合功能性就成了新的挑戰(zhàn)。合作關(guān)系如汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) (AUTOSAR) 在為各種汽車軟件架構(gòu)創(chuàng)造和建立開放標(biāo)準(zhǔn)以解決這類問題方面表現(xiàn)不凡。汽車代工廠商、電氣供應(yīng)商、芯片制造商和軟件公司均是AUTOSAR 的成員。

連線信息娛樂

現(xiàn)代汽車的信息娛樂系統(tǒng)擁有比以往任何時候都多的功能互動，所以連通性的概念非常廣泛?，F(xiàn)代信息娛樂系統(tǒng)是駕駛者和乘客指揮和控制車上各種數(shù)據(jù)的生成和發(fā)布的駕駛艙。信息娛樂系統(tǒng)需要連接到車輛網(wǎng)絡(luò)以便從多個電子控制單元收集數(shù)據(jù)，并報告自己的狀態(tài)。從外部來講，有連接智能設(shè)備的期望，這些越來越多地通過應(yīng)用程序和技術(shù)，如蘋果 CarPlay (Apple CarPlay)、谷歌安卓汽車 (Google Android Auto)、MirrorLink 實(shí)現(xiàn)。隨著無人駕駛汽車的出現(xiàn)，信息娛樂功能現(xiàn)在還必須與其他車輛和外界連接。毫不奇怪，通常在車頭單元的信息娛樂系統(tǒng)已成為眾所周知的 汽車的大腦 。

鑒于這種對職責(zé)和功能的期望，嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的駕駛艙是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。Mentor Graphics 已經(jīng)向一個名叫 Connected OS™ 的概念投資，包括能極大地提高車內(nèi)體驗(yàn)的下一代解決方案所需的多層集成和連接(圖1)。

圖1：連線操作系統(tǒng) (Connected OS) 的軟件平臺和開發(fā)工具高級視圖。

創(chuàng)新跟上消費(fèi)電子變革的速度

Connected OS 軟件擁有一個模塊、一個帶增強(qiáng)板支持包 (SuperBSP) 的基于 GENIVI 的 Linux 平臺和一個優(yōu)化的中間件層 (OPTstack)。箱外，該開箱即用的軟件平臺提供關(guān)鍵技術(shù)，如快速啟動、即時和優(yōu)化音頻/視頻功能--構(gòu)建先進(jìn)的汽車應(yīng)用程序所必需的功能。這方面的一個例子是，緊密集成的 Connected OS 架構(gòu)可使系統(tǒng)快速啟動并激活早期的音頻和視頻功能，這些對滿足帶備份相機(jī)的信息娛樂系統(tǒng)的要求來說至關(guān)重要。

此外，Connected OS 針對新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擁有中間件支持，如 eAVB、A 2 B 等。事先整合的 (eAVB) 軟件棧在開發(fā)低延遲時間和實(shí)時通信的應(yīng)用方面特別有幫助，如在 ADAS 中的應(yīng)用(圖2)。除此之外，支持 eAVB 這類協(xié)議加上視頻處理專長讓基于 Connected OS 的系統(tǒng)擁有如后座娛樂 (RSE) 這類功能。Connected OS 中的 eAVB 棧按 IEEE AVB 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)并符合 AVnu Alliance 要求。支持的 IEEE(美國電氣和電子工程師協(xié)會)安裝包括：IEEE 802.1AS、802.1Qat、802.1Qav、1722.1和1733。同樣的，Connected OS 中的對 A 2 B 軟件棧的支持讓汽車制造商能以更低的系統(tǒng)價格開發(fā)音頻網(wǎng)絡(luò)，同時提高車內(nèi)音頻體驗(yàn)。

Connected OS 作為一個基于軟件的解決方案可定制程度高，為汽車制造商提供創(chuàng)新的靈活性和為不同車款和車齡分類。

圖2：一個針對IVI和ADAS應(yīng)用的基于eAVB的網(wǎng)格經(jīng)典案例。

管理成本的同時實(shí)現(xiàn)安全和品質(zhì)目標(biāo)

安全和安保一直是汽車廠商考慮的重中之重，隨著無人駕駛汽車的出現(xiàn)，已經(jīng)出現(xiàn)更多的可為黑客和任何外界干擾源利用的無線“攻擊表面”。車輛架構(gòu)的每一個層次都應(yīng)考慮安保，從硬件到嵌入式軟件、應(yīng)用程序和人為因素。軟件缺陷應(yīng)盡可能地降到最低，繼續(xù)開發(fā)對與安全息息相關(guān)的軟件的詳盡測試策略。通過細(xì)心劃分，很難完全被驗(yàn)證的與安全息息相關(guān)的元素可被分開并利用更為復(fù)雜的系統(tǒng)分別驗(yàn)證。Mentor Graphics 已經(jīng)引進(jìn)了一個重要軟件混合的一體儀器集群解決方案，這讓經(jīng)驗(yàn)證的與安全息息相關(guān)的圖形指示器與豐富的3D圖形在一個單一的顯示屏上整合起來(圖3)。這些與安全息息相關(guān)的圖形在一個安全的硬件區(qū)運(yùn)行并在一個單獨(dú)的通過安全認(rèn)證的 Nucleus ® SafetyCert™ 實(shí)時操作系統(tǒng) (RTOS) 上運(yùn)行，在外部干擾和拒絕服務(wù)方面使它盡可能地安全。

圖3：單個片上系統(tǒng)上的重要軟件混合集群。

支持多個操作系統(tǒng)

Connected OS 的概念不僅僅包括一個基本的 Linux 操作系統(tǒng)。新的多核架構(gòu)可容納多個操作系統(tǒng)，并且在它們之間實(shí)現(xiàn)緊密的通信聯(lián)系。這包括 AUTOSAR 基本軟件 (BSW) 操作系統(tǒng)、實(shí)時操作系統(tǒng)，如 Nucleus RTOS，甚至是讓安卓本地運(yùn)行的鏈接，或在一個 Linux 容器 (LXC) 里的操作系統(tǒng)。一旦使用多個操作系統(tǒng)，利用諸如 RPMsg 和 VirtIO 協(xié)議就可實(shí)現(xiàn)安全的通信，這樣在一個領(lǐng)域生成的信息就能被傳輸?shù)搅硪粋€領(lǐng)域(圖 4 )。一個例子是需要在安保駕駛員信息集群顯示器上出現(xiàn)的電話狀態(tài)信息。在多核框架中分開領(lǐng)域或通過使用內(nèi)置管理程序可以對安保和分離進(jìn)行管理，與此同時優(yōu)化性能。

圖4：RPMsg和VirtIO的多域通信。

結(jié)論

在當(dāng)今車輛生產(chǎn)當(dāng)中嵌入式軟件的數(shù)量和價值仍在繼續(xù)增長，汽車廠商需要確保他們采用了最新的能使系統(tǒng)安全互動的技術(shù)。通過仔細(xì)使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和開放源碼軟件來節(jié)約開發(fā)成本已經(jīng)變得比以往任何時候都重要，而專注的平臺提供商，如 Mentor Graphics 正在為二級供應(yīng)商設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)、利用合適的技術(shù)創(chuàng)新幫助一級廠商和他們的汽車代工廠商滿足生產(chǎn)時間的要求。