AUTOSAR 如何重塑汽車領域

前言、背景

自2003年組建以來，AUTOSAR(汽車開放系統(tǒng)架構)聯盟一直致力于改變車載網絡和電子控制單元 (ECU) 的設計方式。AUTOSAR 為原始設備制造商 (OEM) 及其一級供應商提供設計和開發(fā)位于現代車輛中心的 ECU 的行業(yè)標準方法。該標準能幫助減少設計過程中人為錯誤的可能性，并為供應商和制造商提供一種明確且機器可讀的數據格式來交換設計信息。本文探討了 AUTOSAR 采用的戰(zhàn)略的一些預期商業(yè)益處，并解釋了一些基本術語和設計方法。

AUTOSAR 聯盟的會員包括汽車 OEMs 以及由零部件和服務提供商組成的支持性生態(tài)系統(tǒng)。該聯盟的宗旨是針對汽車電氣/電子 (E/E) 架構創(chuàng)造和建立全球性開放標準。該標準在車輛架構級別提供支持，讓OEMs 網絡設計人員能設計和管理車輛功能之間的復雜關系，并且還支持供應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 方法和標準的風險很高，但原始設備制造商和一級供應商做出這樣的改變會獲得廣泛的利益。預計到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中更好地重新使用電子控制單元

能更好地使用預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

能減少下游設計錯誤 -- 一套 AUTOSAR 方法可讓功能得到架構級別的定義和驗證

通過改善網絡效率和功能運用而減少整體硬件成本

能減少整體網絡架構分析和設計審查的成本

能改善原始設備制造商和一級供應商之間的通信，使用一種標準化的數據交換格式(AUTOSAR XML 或 arxml)

改用 AUTOSAR 可加速設計調整，不論在整個內部設計周期內是否需要對 ECU 進行重新設計或改進。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。不論如何實施調整，首個基于 AUTOSAR 的電子控制單元設計項目都要比現有/傳統(tǒng)的設計流程所花費的時間更長，這是因為設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 資產向 AUTOSAR 標準轉變也是有可能的，通過采用“AUTOSAR 封裝”概念，重要的現有和公認電子控制單元應用代碼可實現重復使用。使 AUTOSAR 的封裝能夠導入其它純 AUTOSAR ECUs。

2, 什么是 AUTOSAR?

從本質而言，AUTOSAR 提供標準的 ECU 接口定義，使設計人員能夠明確每個汽車 ECU 中都需要的可重復使用的標準化軟件層和組件。該標準不受硬件的影響，這意味著應用軟件和硬件平臺是相互獨立的。應用軟件開發(fā)人員可在應用軟件中明確各個汽車功能的細節(jié)，而不用擔心相關軟件服務和硬件接口。過去，軟件和硬件緊密地整合在一起，因此很難實現便攜性和可重復使用(圖1)。

圖1：將應用軟件與硬件分開。

將設計與硬件決策分開使車輛生產商/OEM 能夠基于所需的車輛功能進行自上而下的設計。存在于這一設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實現互連和得到測試。通過采用虛擬功能總線，應用軟件組件 (SWC) 與其它應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硬件之前實現所有車輛軟件功能和接口交互驗證成為可能。設計調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，但對架構設計階段來說卻是很有用的測試基準?？舍槍λ熊囕v信號進行定時檢查和接口定義。

一旦設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?？赏ㄟ^配套的設計工具來自動創(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，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設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 -- 基礎軟件層和操作系統(tǒng)

基礎軟件 (BSW) 是一種標準化軟件，不包含車輛應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。所需的服務包括內存服務(NVRAM 管理器)、網絡通信管理服務、診斷服務和狀態(tài)管理。當應用層中定義的 AUTOSAR 軟件組件要求服務時，運行環(huán)境的任務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，AUTOSAR 規(guī)范也不允許這樣做。所有服務要求都必須在“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)擁有一個可調度活動列表，這些活動通過調度算法進行管理。

5, 關于硬件

AUTOSAR 分層軟件架構可以分離硬件的應用邏輯，以便重復利用和攜帶。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)和基礎軟件能夠訪問數字輸入/輸出、模擬數字轉換、FLASH 和 EEPROM 支持等設備。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 設計方法，操作整個網絡的完整模型。AUTOSAR 設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商，進行進一步的細節(jié)設計和實施。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商。標準化描述的好處在于在ECU描述中可以避免任何設計不定性，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，因此能夠很好地利用新行業(yè)趨勢的好處，如車內以太網、混合技術車輛網絡(CAN/Flexray)、異構多核平臺以及車載網關布置。

7, 想要試試看?

包括 Mentor Graphics 在內的一些商業(yè)機構為 AUTOSAR 設計提供評估套件。這些套件包括架構設計到單個 ECU 配置。Mentor Graphics 還擁有其 VSX 工具套件以及支持 CAN、FlexRay、LIN 和以太網的 ECU 硬件開發(fā)板。這些工具以Eclipse為基礎，利用開源工具鏈進行從源代碼到運行實施的一系列設計。相對于大規(guī)模地將車內 ECU 一次性改到 AUTOSAR 方法來說，低風險調查和 AUTOSAR 試驗更可取。

研究報告總結

AUTOSAR 為車載網絡和 ECU 設計提供預定義的標準方法，找到了進入每個汽車 OEM 和一級機構的方式。AUTOSAR 標準提供了改善工藝和重新利用組件的機會，但是也存在學習一個新的 ECU 設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計和資源，可用于量產的工具如今已廣泛推出。AUTOSAR 的采用還將幫助機構達到功能安全標準 ISO26262的要求，因為它支持一個可重復、定義明確、且自上而下的設計流程。