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AUTOSAR Adaptive – 车载计算中心
2020-04-02 08:37:58· 来源：Vector维克多
Vector China 前天AUTOSAR Adaptive使得汽车E/E架构更加强大，更加灵活。在AUTOSAR Adaptive架构中，基于以太网的ECU作为核心应用程序服务器，其最大的优势在于
AUTOSAR Adaptive使得汽车E/E架构更加强大，更加灵活。在AUTOSAR Adaptive架构中，基于以太网的ECU作为核心应用程序服务器，其最大的优势在于：Adaptive ECU使得在汽车的整个生命周期中，可以对应用软件进行更新以及增添新的软件功能。
在新一代汽车中，高度发达的驾驶功能将对网络架构以及ECU之间的交互产生显著的影响。借助雷达、激光雷达及各式摄像头组成的高级传感器，辅助驾驶系统可以达到高度自动化的驾驶水平。这些传感器为汽车提供连贯的环境模式，这意味着车载网络必须在短时间内传输和处理大量的数据，从而要求网络架构能实现低时延的高数据吞吐量。此外，传感器数据融合需要高性能车载计算系统，该系统在专用硬件支持下能够处理复杂算法。同时，包含传感器和执行器的整个处理流程需要安全地集成到汽车当中，并确保较低的延迟。
> 对车辆架构的影响
IT服务器端上可用的数字服务对车辆架构有很大的影响。高带宽的移动通信和低时延的V2X通信将提供基于场景的信息，例如天气、车流量、建筑工地等信息。ECU将这些数据连同路线信息以及车辆传感器获取的环境信息汇集在一起，车载计算系统将汇集后的数据进行必要的图形处理，处理结果会显示在高分辨率显示设备或抬头显示设备上。不仅无线通信数据需要安全传输，即便是相对简单的充电通信也需要在电动汽车与充电桩之间建立安全连接以用于电子计费。这类安全通信同样要求汽车具备超强的计算能力。
到2025年，这些新功能将使电子和软件在汽车中的附加值份额提高到65％，其中软件份额增长最快，届时将约25%。复杂度的提升要求在ECU开发中对任务进行更加严格的划分。尽管ECU硬件开发一般由供应商完成，但整车厂的软件来源可以是多方面的，这将成为一个非常关键的竞争因素。
> 满足高要求的新系统
整车厂和用户需要能够在车辆上市之后，添加或升级软件功能，以扩展车辆功能。这为第三方软件供应商创造了一个新的市场。为此所需的动态软件集成环境是即将到来的车辆平台的必要属性。配备64位多核处理器并支持MMU（内存管理单元）功能的ECU将在车辆中被用于执行运算密集型算法和功能。
这些处理器将为虚拟化以及与外部存储的快速交互提供额外的硬件支持。片上系统（SoC）作为硬件加速器，负责处理图形、图像和算法，能够以低功耗实现所需的处理速率。ECU中额外的微处理器或SoC，例如硬件安全模块（HSM）和可信平台模块（TPM），用于实现安全相关的功能并防止未经授权访问组件。
此外，车辆内部网络和车辆外部世界的接口将继续发挥重要作用。在车辆内部，基于IEEE 100base-T1（100Mbit/s）或者1000base-T1（1 Gbit/s）的以太网作为骨干网，将不断改变网络结构并使得数据吞吐量倍增，像WiFi、蓝牙、5G和V2X等外部通信接口将有助于实现高数据吞吐量。通过传输速率高达千兆的低电压差分信号（LVDS）或汽车像素链路（APIX）来连接传感器和执行器接口的方案将不再罕见。传统的总线系统将继续被沿用，但在整个车辆系统中将不再发挥核心作用。
在高数据吞吐量下，需要灵活的软件架构，从而有效利用硬件。一般来说，基于POSIX操作系统是使用复杂处理器及其外围设备的先决条件，包括Linux和PikeOS。许多已有的库和开发框架有助于高效开发软件功能，例如，图形库和人工智能应用程序。
> AUTOSAR Adaptive
为满足这些新需求，AUTOSAR联盟在已有的AUTOSAR Classic Platform（Classic平台）之外，定义了一个全新标准：AUTOSAR Adaptive Platform（Adaptive平台）。Classic平台支持低成本的微控制器，在以太网、安全保护和功能安全领域可以实现具有挑战性的应用。Classic平台主要用于直接访问传感器和执行器并且需要满足严格实时要求的ECU。与之相反，Adaptive平台被设计用来支持诸如自动驾驶之类有着更高性能要求的应用。它提供一个灵活的集成环境，更新和扩展功能是其显著特征之一。如今来看，只有使用具备Classic和Adaptive双重平台的ECU才能满足最严格的安全要求，这是因为AUTOSAR Adaptive在使组件和操作系统具有更大的自由度和灵活性的同时，也给汽车安全带来不可控的因素。当前正在进行的综合性研究试图验证，Adaptive平台是否可以作为单一平台被用于支持功能安全的每一个场景中。
AUTOSAR Adaptive支持多种类型ECU，为系统设计者提供必要的组件模块用以研发高性能汽车平台。那么，AUTOSAR Adaptive由哪些模块组成？在技术上与AUTOSAR Classic有什么区别（图1）？
图1：AUTOSAR Classic Platform与AUTOSAR Adaptive Platform的区别
在Adaptive平台中，应用程序使用ARA（AUTOSAR Runtime for Adaptive Applications）。ARA为用户提供标准化的接口，可将不同应用程序有效地集成到系统中。与此同时，ARA提供用于ECU内部通信、网络间通信以及访问诊断和网络管理这类基本服务的机制。此外，应用程序还可以直接访问一个被称为“最小实时系统配置”的操作系统功能的子集（PSE51）。
在POSIX操作系统中，一个Adaptive应用至少被实现为一个进程。在运行时，应用进程被加载到与之相关的虚拟地址空间并在那里被执行。用于应用控制的模块（Execution Management）负责协调启动这些进程。
Adaptive环境支持将ECU集成到E/E体系结构中所必需的基础服务，如诊断和网络管理。此外，还有提供其它服务的众多模块，如非易失性数据保存（Persistency模块），平台的功能监视（Platform Health Management模块），访问加密操作（Crypto模块）和测量值记录（Logging and Tracing模块）等。
此外，更新和配置管理（Update and Configuration Management）是Adaptive平台的核心功能。虽然Classic平台可以更换整个ECU代码，但Adaptive平台提供了删除、更新或添加单个应用程序的选项。每个Adaptive应用被定义为一个程序包，由可执行程序和Manifest文件构成。Manifest文件对应用程序的接口（例如端口）和面向服务的通信IP地址等进行建模，并建立执行应用程序的前提条件，这样就可以灵活加载ECU功能。
不同于AUTOSAR Classic，AUTOSAR Adaptive采用C++作为编程语言。应用程序之所以能够有效地实现具有挑战性和可重用性的功能，要归功于面向对象的编程语言、动态内存管理和现有标准库。
Adaptive平台的另一个属性是面向服务的体系结构模式，这一模式为系统设计带来了很大的灵活性。应用程序将其功能通过Adaptive平台作为一个服务提供，同时可以使用其它应用程序通过Adaptive平台提供的服务（图2）。运行Adaptive平台的ECU通过以太网互联，客户端请求由服务器提供的服务，该请求通过以太网网络协议SOME/IP进行传输，服务器依据相关数据回复请求。虽然Classic平台也支持面向服务的通信方式，但是其关注点主要在于面向信号的通信。
图2：AUTOSAR Adaptive应用程序接口
实际上，AUTOSAR Adaptive和Classic平台的主要属性相互补充。因此，可以看到未来车辆中将同时存在基于这两个标准实现的ECU，进而组成一种异构的体系结构。
> 域控制器和网关
一些现代车辆的E/E架构以域为中心，车辆功能根据逻辑分组被划分到各个域中，例如信息娱乐域、车身控制域和传动域。每个域都有自己的域控制器，这些域控制器通过以太网互联，它们各自协调域内ECU的运行。域内ECU直接访问传感器和执行器，并通过CAN或LIN之类的总线实现与域控制器的通信连接。另一个被称为连接单元的控制器，通过离线诊断、蓝牙和移动通信来提供与外界的连接。
图3：包含AUTOSAR Adaptive与AUTOSAR Classic的汽车架构
使用AUTOSAR Adaptive并不会完全改变基本的车辆架构（图3）。最显著的变化是车辆中以太网和交换机的普遍应用，每个交换机在ECU之间创建无冲突的点对点连接。为了优化线束，这些交换机往往是集成式的，并非单独的ECU。此外，一些高性能的计算机将会通过许多不同的高性能接口来连接雷达/激光传感器、摄像头、显示器和其它ECU。重要的是，变化后的车辆架构依然包括传感器层和执行器层的ECU以及传统总线系统之间的网关，这些传统总线系统可用于传输发生频率高且时序要求严格的数据。另一方面，配备有AUTOSAR Adaptive软件的高性能计算机可以处理车辆对外网络中的通信任务和计算密集型任务。
图4：基于以太网和SOME/IP的跨平台通信
问题随之而来：在新的车辆架构下，Adaptive和Classic ECU如何相互通信？最简单的方式是基于以太网互连的ECU通过SOME/IP使用面向服务的通信（图4）。在这个示例中，ECU1连接多条总线，从而连接其它ECU。ECU1充当网关，负责将来自总线侧的消息信号“打包”装入一个服务中，以便AUTOSAR Adaptive平台可以直接对该服务进行访问。无论是Classic平台还是Adaptive平台，通信布局都是AUTOSAR ECU设计中的固定组成部分。由于两个平台的配置格式不同，有必要以转换的形式映射服务配置。
图5：与AUTOSAR Classic信号网关的连接
如果Classic ECU只支持基于信号的通信，那么与该ECU进行通信时情况更加复杂（图5）。在这一场景下，ECU1作为信号网关，将消息信号直接转换为以太网的UDP数据，Adaptive ECU通过信号-服务转换器将UDP数据中的信号转换为ECU2中可用的服务。除了通过通信矩阵进行信号描述之外，基于此架构的实现还需要将”映射到服务的规则”作为AUTOSAR Classic配置的组成部分。这些映射规则已经是AUTOSAR Adaptive规范的一部分，服务-信号映射基于这些规则进行编码，并作为独立的服务在Adaptive ECU中运行。
> 掌握软件复杂性
汽车自动化和扩展功能的模式转变需要处理和传输大量数据，并需要应对由此产生的软件复杂性。今天的系统几乎无法满足这些严格的要求，因此，基于AUTOSAR Adaptive平台开发的中央计算机以及基于以太网的、面向服务的通信为未来的车辆架构提供了最佳基石。Adaptive和Classic ECU可以在这一架构中并行使用，灵活的网关应用将使连接这两个世界变得易于操作。
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