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(jì)自動(dòng)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(bào)告。了解更多信息請(qǐng)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(shuō)消費(fèi)者和汽車代工廠商同樣都在適應(yīng)這個(gè)千變?nèi)f化的時(shí)代。毫無(wú)疑問(wèn)，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(tái)、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(gè)趨勢(shì)。首先，當(dāng)下有一個(gè)目標(biāo)是將過(guò)去不同領(lǐng)域和時(shí)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(dòng)。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(duì)這些數(shù)據(jù)加以實(shí)時(shí)的整合、處理，并轉(zhuǎn)換成可采取行動(dòng)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(jì)和構(gòu)建滿足無(wú)數(shù)預(yù)設(shè)安全和品質(zhì)門檻的車內(nèi)體驗(yàn)，成本問(wèn)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(shí)能降低研發(fā)成本。在這個(gè)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(jiǎn)單的電子控制單元 (ECUs) 到如今可能需要多個(gè)操作系統(tǒng)的復(fù)雜的多功能電子控制單元。過(guò)去，嵌入式操作系統(tǒng)被當(dāng)作獨(dú)立分開(kāi)的個(gè)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(wú)線解決方案這類更強(qiáng)的技術(shù)對(duì)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(gè)人網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(gè)例子是，一個(gè)聯(lián)合車載信息娛樂(lè)系統(tǒng) (IVI) 和駕駛員信息駕駛艙不僅顯示信息娛樂(lè)選項(xiàng)，還疊加來(lái)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(bào)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(shí)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(guò)100個(gè)，下一個(gè)趨勢(shì)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(wèn)題。車輛線束的復(fù)雜性和重量增加了。車內(nèi)出現(xiàn)越來(lái)越多的電子控制單元也將使標(biāo)準(zhǔn)化越來(lái)越受重視。隨著硬件平臺(tái)的發(fā)展，重新設(shè)計(jì)軟件或重新構(gòu)建系統(tǒng)以便在模塊之間移動(dòng)或整合功能性就成了新的挑戰(zhàn)。合作關(guān)系如汽車開(kāi)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(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)以解決這類問(wèn)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(lè)

現(xiàn)代汽車的信息娛樂(lè)系統(tǒng)擁有比以往任何時(shí)候都多的功能互動(dòng)，所以連通性的概念非常廣泛?，F(xiàn)代信息娛樂(lè)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(lè)系統(tǒng)需要連接到車輛網(wǎng)絡(luò)以便從多個(gè)電子控制單元收集數(shù)據(jù)，并報(bào)告自己的狀態(tài)。從外部來(lái)講，有連接智能設(shè)備的期望，這些越來(lái)越多地通過(guò)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(wú)人駕駛汽車的出現(xiàn)，信息娛樂(lè)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(lè)系統(tǒng)已成為眾所周知的 汽車的大腦 。

鑒于這種對(duì)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(gè)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(tái)和開(kāi)發(fā)工具高級(jí)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(gè)模塊、一個(gè)帶增強(qiáng)板支持包 (SuperBSP) 的基于 GENIVI 的 Linux 平臺(tái)和一個(gè)優(yōu)化的中間件層 (OPTstack)。箱外，該開(kāi)箱即用的軟件平臺(tái)提供關(guān)鍵技術(shù)，如快速啟動(dòng)、即時(shí)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(gè)例子是，緊密集成的 Connected OS 架構(gòu)可使系統(tǒng)快速啟動(dòng)并激活早期的音頻和視頻功能，這些對(duì)滿足帶備份相機(jī)的信息娛樂(lè)系統(tǒng)的要求來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

此外，Connected OS 針對(duì)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(kāi)發(fā)低延遲時(shí)間和實(shí)時(shí)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(zhǎng)讓基于 Connected OS 的系統(tǒng)擁有如后座娛樂(lè) (RSE) 這類功能。Connected OS 中的 eAVB 棧按 IEEE AVB 標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)并符合 AVnu Alliance 要求。支持的 IEEE(美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì))安裝包括：IEEE 802.1AS、802.1Qat、802.1Qav、1722.1和1733。同樣的，Connected OS 中的對(duì) A 2 B 軟件棧的支持讓汽車制造商能以更低的系統(tǒng)價(jià)格開(kāi)發(fā)音頻網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)提高車內(nèi)音頻體驗(yàn)。

Connected OS 作為一個(gè)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(gè)針對(duì)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(shí)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(wú)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(wú)線“攻擊表面”。車輛架構(gòu)的每一個(gè)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(kāi)發(fā)對(duì)與安全息息相關(guān)的軟件的詳盡測(cè)試策略。通過(guò)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(kāi)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(gè)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(gè)單一的顯示屏上整合起來(lái)(圖3)。這些與安全息息相關(guān)的圖形在一個(gè)安全的硬件區(qū)運(yùn)行并在一個(gè)單獨(dú)的通過(guò)安全認(rèn)證的 Nucleus ® SafetyCert™ 實(shí)時(shí)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：?jiǎn)蝹€(gè)片上系統(tǒng)上的重要軟件混合集群。

支持多個(gè)操作系統(tǒng)

Connected OS 的概念不僅僅包括一個(gè)基本的 Linux 操作系統(tǒng)。新的多核架構(gòu)可容納多個(gè)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(shí)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(gè) Linux 容器 (LXC) 里的操作系統(tǒng)。一旦使用多個(gè)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(gè)領(lǐng)域生成的信息就能被傳輸?shù)搅硪粋€(gè)領(lǐng)域(圖 4 )。一個(gè)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(kāi)領(lǐng)域或通過(guò)使用內(nèi)置管理程序可以對(duì)安保和分離進(jìn)行管理，與此同時(shí)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(jià)值仍在繼續(xù)增長(zhǎng)，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(dòng)的技術(shù)。通過(guò)仔細(xì)使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)放源碼軟件來(lái)節(jié)約開(kāi)發(fā)成本已經(jīng)變得比以往任何時(shí)候都重要，而專注的平臺(tái)提供商，如 Mentor Graphics 正在為二級(jí)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(jí)廠商和他們的汽車代工廠商滿足生產(chǎn)時(shí)間的要求。