汽车电子软件架构设计:驱动未来出行

AutoSAR简介与展望

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随着汽车ECU控制器的逐步发展,汽车电子领域需求也日益复杂,在这一环境之下,整车厂和 零部件制造商均不得不考
虑软件重复性,可裁剪性,质量保证等等问题,AutoSAR便是基于这些种种要求,由几大零部件提供商和主机厂联合提
出的要求。统一解决方案针对问题。


挑战:E/E系统复杂度快速增加目标:重复使用、不断测试
功能代码爆炸式增长提高软件质量,降低开发成本
硬件平台种类增多重复使用功能层软件
开发流程和文件格式未统一重复使用基础层软件
汽车电子系统设计复杂化造成的可靠性隐患,导致汽车因安全隐患被“召回”的现象频繁发生重复使用开发方法论和开发工具
规范汽车电子产品,软件和元器件的互通性

基本概念

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AutoSAR是AUTomotive Open System Architecture的缩写,是由整车制造商、供应商、服务提供商以及来自汽车电子、半导体和软件
行业的公司共同组成的世界范围内的汽车电子软件联盟。AutoSar是一种软件系统架构,它从汽车ECU控制器角度带来了一整套系统软件解决方案,
它提供了一套标准化的接口和通信协议,使不同的软件组件可以相互协作。AutoSAR软件架构有众多的优越性。下图是汽车有无AutoSAR架构的对
比,“Yesterday”是指在使用AutoSar架构之前的软件系统架构,也就是说,在AutoSAR诞生早期,便已经存在汽车软件系统架构,例如OSEK,
OSEK/VDX也基于分层架构的软件平台。
 
 汽车软件架构设计 汽车电子软件架构_架构


只是,AutoSAR从整个软件汽车的平台化、统一化着眼,方法论也涵盖了整个ECU统一开发、统一流程的各个开发环节。可以说OSEK就是AutoSAR,比如AutoSAR使用的OS部分就是OSEK操作系统。主要区别在于,OSEK是一个操作系统标准,而AutoSAR是一个软件架构标准,以及由于基于嵌入式系统,OSEK的实现通常比较底层,而AutoSAR是实现通常是比较高层的。在此处我们主要需要清楚AutoSAR通过交互文档可以方便实现OEM与TIL1之间的软件统一设计、开发与交互;而OSEK只能通过 one by one的设计方式去独立开发单控制器,更是无法实现SWC层级的软件复用。种种结构均表明AutoSAR凸显出的不仅仅是一个简单的软件架构所具备的优越性。



历史进程

2003成立

2005发布第一个AutoSAR标准;

2006年完成基础软件定义;

2013年AutoSAR成立10年,发布4.1.1

2014年发布4.3.0,加入面向服务的通讯协议,包括Extended Buffer Access forRapid Prototyping;SOME/IP Transport Protocal Decentralized Configuration

2017年发布v4.3.1

2018年发布v4.4,是当前最新版本。




AutoSAR构成背景

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本次介绍的重点仍然是AutoSAR软件架构,因为在目前的主机厂环境之中主要使用Autosar架构独立开发自己的控制器,还未涉及从公司层面按照
件开发方式设计软件全功能的模式,毕竟这是一个消耗成本的事情,这个话题就不再阐述。Autosar软件架构作为分层式软件架构,具有其相关的所
有目标和设计优势。在IOS26262中专门有对待软件的要求。

一般而言,软件架构设计要达到如下的目标:


可靠性(Reliable)
软件系统对于用户的商业经营和管理来说极为重要,因此软件系统必须非常可靠。


安全性(Secure)
软件系统所承担的系统安全性非常重要。


可扩展性(Extensible)

在新技术出现的时候,一个软件系统应当允许导入新技术,从而对现有系统进行功能和性能的扩展。例如,在AUTOsar中有复杂驱动这一层,这样就保证了整个系统的灵活度和可扩展性。


可维护性(Maintainable)


客户体验(Customer Experience)
软件系统必须易于使用。

市场时间(Time to Market)
软件用户要面临同行竞争,软件提供商也要面临同行竞争。以最快的速度争夺市场先机非常重要。例如AutoSAR在当前的市场大环境下被广泛采用在新能源汽车,自动驾驶领域的控制器,控制器开发就足以说明采用AutoSAR架构所带来的商业上的时机在一个新兴领域被大家认可。




软件系统架构图

下面来看架构图:

汽车软件架构设计 汽车电子软件架构_c++_02


AutoSAR架构在软件抽象上分成三层,软件运行在微控制器上自底向上分别是:

  • 基础软件层(BSW-Bsaic Software Layer)
  • 实时运行环境层(RTE-Runtime Environment )
  • 应用软件层(APP-Application Layer)

其中BSW又被细分成:

  • 服务层(Service)
  • ECU抽象层(Abstracture)
  • 微控制器抽象层(Microcontroller)
  • 复杂驱动层(Complex Drivers)

BSW从功能角度又做了进一步划分,如服务层被划分成:

  • 系统服务(System Service)
  • 存储服务(Memory Services)
  • 通讯服务(Communication Service)

这些功能层的划分体现了Autosar作为一个汽车嵌入式软件开发细分市场的专业性,同时这些BSW所提供的服务也占据了大量的Autosar标准的篇幅。这里的层层细分,并不是越细致越好,一个好的架构要保证一定的颗粒度,才能在复杂度和可靠性上有最优的体现。



AutoSAR软件架构分层简介

实时运行环境层(RTE)

汽车软件架构设计 汽车电子软件架构_汽车软件架构设计_03

**运行时环境(RTE)**是AutoSAR ECU体系结构的核心组成部分,应用程序软件组件包含独立于CPU和所处位置的系统软件,这就意味着为了满足系统设计者所作的一些限制,应用程序组件能够在系统配置期间被映射到任何有效的ECU上,RTE负责确保这些组件能够通信,RTE实现了AutoSAR VFB的接口,从而实现了AutoSAR软件组件之间的通信。



微控制器抽象层(Microcontroller Abstraction Layer)

汽车软件架构设计 汽车电子软件架构_c++_04


微控制器抽象层为软件层独立于μC(microcontroller/微控制器)而存在。它是最低软件层。它包含内部驱动程序,这些驱动程序是可以直接访问μC(microcontroller/微控制器)和内部外围设备的软件模块。



ECU抽象层(ECU Abstraction Layer)

汽车软件架构设计 汽车电子软件架构_汽车软件架构设计_05


ECU抽象层为使更高的软件层独立于ECU硬件布局而存在。它含有与单片机抽象层的驱动程序接口。 它还包含用于外部设备的驱动程序。它提供了一个用于访问外围设备和设备的API,而无需考虑外围设备和设备的位置(内部/外部μC)及其与μC(microcontroller/微控制器)的连接(端口引脚,接口类型)。



复杂的驱动程序(Complex Drivers)

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目标: 复杂驱动程序涵盖范围从硬件设计到RTE,提供对复杂的输入类型的传感器和输出类型的控制器的驱动,保证架构的扩展性,例如设备驱动程序等在AutoSAR中未指定的部分,具有很高的时序约束性,这也是AutoSAR可扩展性和可移植性的重要体现。

功能: 为关键的应用提供对资源的直接访问



服务层(Service Layer)

汽车软件架构设计 汽车电子软件架构_架构_07


服务层是基本软件的最高层,这也适用于其与应用程序软件的相关性。系统服务是一组可以由所有层次模块使用的功能,

虽然ECU抽象层覆盖了对I / O信号的访问,但是服务层提供了:

  • 操作系统功能
  • 车载网络通讯与管理服务
  • 内存服务(NVRAM管理)
  • Diagnostic Services(包括UDS通信,错误存储和故障处理)
  • ECU状态管理
  • 模式管理 逻辑和临时程序流监控(Wdg管理器)



接口层的定义也是AutoSAR标准中重要的一个工作,这些API接口关系到了整个模块可对外提供哪些抽象级服务,直接关系到了该模块的编码工作。

下图可以看出每个模块和其他模块的交互都是通过接口,AutoSAR的不同之处在于增加了RTE层,RTE层的存在就隔离了所有接口,应用层不直接调用BSW层的API,而应用层的SWC之间的交互也要通过RTE层,这样就保证了SWC的独立性,SWC可以不需要关心他们之间的通讯方式,因为有可能今天这个SWC在这个控制器、这个项目中,明天就可能存在在其他控制器内,这样做的好处就是SWC之间是通过CAN通讯还是内部变量交互,SWC完全不需要关心,全部交给RTE去实现即可。

底层模块之间的交互是通过标准化模块接口Standardized Interface实现的,同样针对复杂驱动,其与应用层SWC之间也是通过AutoSAR接口实现的,这里还有一点需要说明的是,不要被图中的双向箭头所误导,这里的箭头更多体现的是接口通过RTE层传递,实际的软件架构中只存在更高层调用与他直接相邻的下一层的调用API的方式,不允许出现跨层调用接口的情况,只有这样才能保证架构的可移植性,层与层之间不存在交叉调用,这样在需要移植时,只需要更改部分层的功能即可。

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AutoSAR软件开发

AutoSAR基本实现方式概要图

汽车软件架构设计 汽车电子软件架构_汽车软件架构设计_09


基本实现方式可分为以下三大块:

  • 虚拟化集成测试
  • 硬件需求描述
  • ECU配置与集成测试

在虚拟化集成环节主要是讲整车系统需求转换,抽象成一个一个的SWC软件组件,这里不需要关心SWC之间的通讯方式,可以完全关注功能上的划分,在硬件需求描述环节就要定义出一个一个的ECU控制器单元,并将需要的硬件资源进行描述,为下一环节做准备,最后再进行ECU单控制器的开发功能,可以交付给供应商来具体实现完成ECU硬件控制器设计开发以及ECU底层软件开发以及应用层功能软件的开发集成测试工作。

汽车软件架构设计 汽车电子软件架构_汽车软件架构设计_10

第一步,完成车辆功能软件组件设计;
第二步,将组件分布至不同的ECU中;
第三步,将每个ECU道出系统描述;
第四步,进行ECU描述,进行ECU详细开发。

总结

关于autoSAR的基础概念还有很多,本期分享就到这里,之后将通过实例来介绍Com stack模块及功能、BSW开发。
然后正式开始通过手写代码介绍AUTOSAR工具链的使用。

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