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Mentor Graphics: AUTOSAR 如何重塑汽车领域

电子设计自动化技术的领导厂商 Mentor Graphics 近日发布一份题为《AUTOSAR 如何重塑汽车领域》的研究报告。

作者简介

Andrew Patterson 是 Mentor Graphics 嵌入式软件事业部业务发展总监,汽车市场是他的专长。加入 Mentor Graphics 之前,Andrew 在设计自动化市场驰骋超过25年的时间,精通各种技术、汽车仿真模型开发、虚拟原型设计和机电一体化。目前,他在 Mentor Graphics 主要负责嵌入式软件战略,包括运行于多种主机硅平台上的 Linux、AUTOSAR 和其他操作系统。Andrew 拥有英国剑桥大学 ( Cambridge University ) 的工程和电子科学硕士学位。

前言、背景

自2003年组建以来,AUTOSAR(汽车开放系统架构)联盟一直致力于改变车载网络和电子控制单元 (ECU) 的设计方式。AUTOSAR 为原始设备制造商 (OEM) 及其一级供应商提供设计和开发位于现代车辆中心的 ECU 的行业标准方法。该标准能帮助减少设计过程中人为错误的可能性,并为供应商和制造商提供一种明确且机器可读的数据格式来交换设计信息。本文探讨了 AUTOSAR 采用的战略的一些预期商业益处,并解释了一些基本术语和设计方法。

AUTOSAR 联盟的会员包括汽车 OEMs 以及由零部件和服务提供商组成的支持性生态系统。该联盟的宗旨是针对汽车电气/电子 (E/E) 架构创造和建立全球性开放标准。该标准在车辆架构级别提供支持,让OEMs 网络设计人员能设计和管理车辆功能之间的复杂关系,并且还支持供应商在制造之前详细定义独立 ECUs 接口的细节。

全文要点与大纲如下:

1, 为何改用 AUTOSAR?

一款现代化豪华车可能包含多达100个 ECUs,包括从简单的传感器接口到复杂的娱乐信息及远程信息单元。将它们一次性全部改用 AUTOSAR 方法和标准的风险很高,但原始设备制造商和一级供应商做出这样的改变会获得广泛的利益。预计到2020年,所有车辆都将拥有一些基于 AUTOSAR 的 ECUs,因此该标准不能被忽视。

改用 AUTOSAR 的一些原因和好处包括:

•能在新的汽车平台和架构中更好地重新使用电子控制单元 •能更好地使用预先验证和测试过的软件组件(代表车辆功能) •能减少测试和安全认证成本 •能减少下游设计错误 -- 一套 AUTOSAR 方法可让功能得到架构级别的定义和验证 •通过改善网络效率和功能运用而减少整体硬件成本 •能减少整体网络架构分析和设计审查的成本 •能改善原始设备制造商和一级供应商之间的通信,使用一种标准化的数据交换格式(AUTOSAR XML 或 arxml) 改用 AUTOSAR 可加速设计调整,不论在整个内部设计周期内是否需要对 ECU 进行重新设计或改进。改用 AUTOSAR 方法可与新的工具的工作流程等其它流程调整或采用更高的安全标准以保持与ISO26262 标准统一同时进行。不论如何实施调整,首个基于 AUTOSAR 的电子控制单元设计项目都要比现有/传统的设计流程所花费的时间更长,这是因为设计人员需要时间来熟悉新的方法。随之而来的是成本节余和效益的提升。传统的 ECU 资产向 AUTOSAR 标准转变也是有可能的,通过采用“AUTOSAR 封装”概念,重要的现有和公认电子控制单元应用代码可实现重复使用。使 AUTOSAR 的封装能够导入其它纯 AUTOSAR ECUs。

2, 什么是 AUTOSAR?

从本质而言,AUTOSAR 提供标准的 ECU 接口定义,使设计人员能够明确每个汽车 ECU 中都需要的可重复使用的标准化软件层和组件。该标准不受硬件的影响,这意味着应用软件和硬件平台是相互独立的。应用软件开发人员可在应用软件中明确各个汽车功能的细节,而不用担心相关软件服务和硬件接口。过去,软件和硬件紧密地整合在一起,因此很难实现便携性和可重复使用。

将设计与硬件决策分开使车辆生产商/OEM 能够基于所需的车辆功能进行自上而下的设计。存在于这一设计阶段的虚拟功能总线 (VFB) 概念使得所有软件电子控制单元都能够实现互连和得到测试。通过采用虚拟功能总线,应用软件组件 (SWC) 与其它应用软件组件也相互独立。软件组件向虚拟功能总线发出输出信号,虚拟功能总线再将信息传送给目标组件的输入端口。AUTOSAR 为输入和输出端口以及交换信息格式提供定义。这种分离方法使得在定义相关硬件之前实现所有车辆软件功能和接口交互验证成为可能。设计调整也因此变得容易得多,同时所有功能在虚拟功能总线上都被定义为软件组件。 

虚拟功能总线不提供 ECUs之后在真实车辆中如何分布和互连的信息,但对架构设计阶段来说却是很有用的测试基准。可针对所有车辆信号进行定时检查和接口定义。

一旦设计人员对各项功能感到满意,这些功能便会被映射或聚集到特定的硬件电子控制单元中。AUTOSAR 为软件组件的映射和聚集过程提供支持。一个复杂的 ECU 可能包含很多软件组件,必要时可进行分级组织。

3, AUTOSAR 运行环境

每个 ECU 都有它量身定制的运行环境 (RTE),通常可通过配套的设计工具来自动创建。真正的电子控制单元之间的实际通信将作为 CAN 或 FlexRay 总线的一部分来实现,而运行环境通过生成工具进行配置,以便执行相连 AUTOSAR 组件所需的通信路径。运行环境可以切实执行虚拟功能总线和架构设计流程的通信和连接拓扑。由于 AUTOSAR 标准支持很多不同类型的软件组件,运行环境必须考虑各种软件组件存在的限制和变化。

4, 为 AUTOSAR 组件提供服务 -- 基础软件层和操作系统

基础软件 (BSW) 是一种标准化软件,不包含车辆应用逻辑和电子控制单元功能,但为运行环境提供依赖硬件和独立于硬件的服务。所需的服务包括内存服务(NVRAM 管理器)、网络通信管理服务、诊断服务和状态管理。当应用层中定义的 AUTOSAR 软件组件要求服务时,运行环境的任务是在真正的电子控制单元上完成映射。

运行环境不提供任何机制来从远程 ECU 获取服务,AUTOSAR 规范也不允许这样做。所有服务要求都必须在“本地”电子控制单元上得到满足。在真正的电子控制单元上运行的基本操作系统(OS 或 OSEK)不知道 AUTOSAR “可运行实体”的概念。操作系统拥有一个可调度活动列表,这些活动通过调度算法进行管理。

5, 关于硬件

AUTOSAR 分层软件架构可以分离硬件的应用逻辑,以便重复利用和携带。运行环境和操作系统与微控制器抽象层 (MCAL) 相连,可以访问主微控制器上的物理端口和设备。微控制器抽象层具体到每个微控制器,使操作系统和基础软件能够访问数字输入/输出、模拟数字转换、FLASH 和 EEPROM 支持等设备。图4显示了 AUTOSAR 电子控制单元中不同硬件和软件层之间的关系。

6, 支持新方法

汽车 OEM 可以通过一个自上而下的 AUTOSAR 设计方法,操作整个网络的完整模型。AUTOSAR 设计工具允许提取单个ECU,连接性和接口信息在 AUTOSAR XML (arxml) 中有定义。这个接口定义之后将传给一级供应商,进行进一步的细节设计和实施。由于拥有统一的格式,相同的定义可以在公开投标时同时传给几个一级供应商。标准化描述的好处在于在ECU描述中可以避免任何设计不定性,并且随着 AUTOSAR 标准的发展,存在误解的可能性越来越小。由于这个标准与硬件无关,因此能够很好地利用新行业趋势的好处,如车内以太网、混合技术车辆网络(CAN/Flexray)、异构多核平台以及车载网关布置。

7, 想要试试看?

包括 Mentor Graphics 在内的一些商业机构为 AUTOSAR 设计提供评估套件。这些套件包括架构设计到单个 ECU 配置。Mentor Graphics 还拥有其 VSX 工具套件以及支持 CAN、FlexRay、LIN 和以太网的  ECU 硬件开发板。这些工具以Eclipse为基础,利用开源工具链进行从源代码到运行实施的一系列设计。相对于大规模地将车内 ECU 一次性改到 AUTOSAR 方法来说,低风险调查和 AUTOSAR 试验更可取。

研究报告总结

AUTOSAR 为车载网络和 ECU 设计提供预定义的标准方法,找到了进入每个汽车 OEM 和一级机构的方式。AUTOSAR 标准提供了改善工艺和重新利用组件的机会,但是也存在学习一个新的 ECU 设计流程和工具的挑战。AUTOSAR 的早期采用者一直将这些知识传给主流设计和资源,可用于量产的工具如今已广泛推出。AUTOSAR 的采用还将帮助机构达到功能安全标准ISO26262的要求,因为它支持一个可重复、定义明确、且自上而下的设计流程。

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