基于FPGA的汽車ECU設(shè)計充分符合AUTOSAR和ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)(一)

　　如果汽車制造商要想經(jīng)濟(jì)高效地管理日益復(fù)雜的車輛功能，經(jīng) AUTOSAR 提倡的 ECU 系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化則是必由之路。它能夠?qū)崿F(xiàn)分布在 ECU 中的各項功能的高度集成和軟件組件的重復(fù)使用。AUTOSAR 的主要目的是定義一個統(tǒng)一的 ECU 架構(gòu)，讓硬件與軟件分離。這樣 AUTOSAR 通過定義硬件無關(guān)的接口，可提高軟件的重復(fù)使用。換句話說，如果按照 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)編寫的軟件組件，只要正確集成到符合 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)的運行環(huán)境中，就能夠在任何廠商的微控制器上運行。

　　這項功能給汽車制造商帶來了更高的靈活性。由于 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在的即插即用特性，汽車制造商可以在整個汽車平臺上以透明的方式更換不同供應(yīng)商開發(fā)的相同軟件模塊的各個版本，且不會給汽車中其余功能的發(fā)揮造成負(fù)面效果。最終硬件和軟件實現(xiàn)彼此高度獨立。這種分離是通過標(biāo)準(zhǔn)軟件的 API 將抽象層互聯(lián)實現(xiàn)的。圖 1 是 AUTOSAR 定義的功能層的分解圖。

　　
圖1 從 MCU 到應(yīng)用層的 AUTOSAR 分層模型

　　底部以黑色表示的是硬件層或物理層，由 MCU 自身（即 CPU 和與其相連的部分標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)）構(gòu)成。微控制器之上是基礎(chǔ)軟件（BSW），分為三層：粉色的微控制器抽象層 （MCAL）、綠色的 ECU 抽象層 （ECUAL） 和復(fù)雜驅(qū)動程序、紫色的服務(wù)層（SRV）。這三層經(jīng)組織形成了多個列或協(xié)議棧（存儲器、通信、輸入/輸出等）。

　　緊貼硬件組件的是微控制器抽象層。正如其名所示，該層是 MCU 的抽象。該層的目的是提供一個硬件獨立的 API，負(fù)責(zé)處理微控制器中的硬件外設(shè)。微控制器抽象層的上一層是 ECU 抽象層，負(fù)責(zé)抽象 ECU 開發(fā)板上的其他智能器件，一般直接與MCU接觸（例如，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器、智能交換控制器、可配置通信收發(fā)器等）。接下來的第三層是服務(wù)層。該層基本具有硬件獨立性，其作用是處理所需的不同類型的背景服務(wù)。例如網(wǎng)路服務(wù)，系統(tǒng)看門狗的 NVRAM 處理或管理。通過這三層，AUTOSAR 定義了一套基礎(chǔ)軟件功能。這套軟件功能在特定的硬件平臺下支持著汽車 ECU 各高級抽象層的所有功能。

　　第四層是運行環(huán)境 （RTE），為應(yīng)用軟件提供通信服務(wù)。它由可從上面的 BSW 層和應(yīng)用層 （APP）共同訪問的一套信號（發(fā)送器/接收器端口）和服務(wù)（客戶端和服務(wù)器端口）構(gòu)成。該 RTE 從基礎(chǔ)軟件中抽象出應(yīng)用，明確地勾勒出將通用的可交換軟件代碼 （APP））與特定的硬件相關(guān)代碼 （BSW） 分離的軟件協(xié)議棧架構(gòu)。換句話說，RTE可將軟件應(yīng)用與硬件平臺分離。因此運行在 RTE 上的所有軟件模塊都具有平臺無關(guān)性。

　　在 RTE 之上，通過應(yīng)用層，軟件架構(gòu)方式從分層變?yōu)橐越M件為基礎(chǔ)。功能主要封裝在軟件組件 （SWC） 中。因此，完成 AUTOSAR 軟件組件接口的標(biāo)準(zhǔn)化是支持各項功能跨不同車輛平臺的ECU實現(xiàn)可擴(kuò)展性和可移植性的中心環(huán)節(jié)。除復(fù)雜驅(qū)動程序外，AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)明確地規(guī)定了這些組件的 API 及特性。SWC 僅通過運行環(huán)境與其他模塊（ECU 間或內(nèi)部）通信。

　　隨著 ECU 不斷集成越來越多的功能，FPGA 器件成為了單核或多核MCU 的明智替代。通過從總體上把握 AUTOSAR 的不同層次，可以預(yù)見設(shè)計人員將這種架構(gòu)部署在可編程邏輯中所能帶來的優(yōu)勢。下文將更深入地介紹我們的設(shè)計如何實現(xiàn)基于定制靜態(tài)硬件（基于閃存或SRAM 的 FPGA 技術(shù)）的解決方案，然后將這種方法延伸為為一種運行時可重配置的硬件實現(xiàn)方案（基于 SRAM 的部分可重配置 FPGA）。