嵌入式软件正加速当今汽车的连接和创新

电子设计自动化技术的领导厂商 Mentor Graphics近日发布一份题为《嵌入式软件正加速当今汽车的连接和创新》的研究报告。了解更多信息请登录：http://automotive.cn.mentor.com/。

汽车工业正在呈现不可思议的变化。提到当今现代化的汽车不得不说消费者和汽车代工厂商同样都在适应这个千变万化的时代。毫无疑问，汽车制造商面临的挑战是如何满足消费者期望在车内获得丰富的多媒体体验。汽车制造商最为关心的是如何构建安全平台、满足车内外连接的需求。由于还要遵守严格的安全规定和要求，解决这些挑战的难度又进一步变大。

代工厂商要想获得成功和保持领先就必须注意几个趋势。首先，当下有一个目标是将过去不同领域和时期的车内体验整合到一起。这一目标主要是受汽车以类似消费电子设备的方式运行和反应的期望所推动。此外，车辆 电气化 产生了大量关于车内和车外的数据。通常需要对这些数据加以实时的整合、处理，并转换成可采取行动的形式向车内的人呈现，进一步强化采取整合解决方案的必要性。

最后，由于代工厂商设计和构建满足无数预设安全和品质门槛的车内体验，成本问题较以往变得更加至关重要。挑战就是实现创新的同时能降低研发成本。在这个大背景下，嵌入式软件在快速兴起的汽车电子应用领域发挥主导作用就毫不奇怪了。

整合的车内体验跨越不同领域

汽车电子在不断进步，从不需要嵌入式操作系统的简单的电子控制单元 (ECUs) 到如今可能需要多个操作系统的复杂的多功能电子控制单元。过去，嵌入式操作系统被当作独立分开的个体，但由于性能和安全的原因，这种情况将不复存在。操作系统是当下车辆最重要的元件，直接影响安全、安保和车内外设备、路边基础设施、云或外部其它车辆的连接性。

车内连接的需要涉及各种各样的物理网络间的通信。以太网 (Ethernet)、以太网音视频连接 (eAVB)、汽车音频总线 ® (A 2 B ® ) 和无线解决方案这类更强的技术对传统车内网络技术起到了增补作用，如控制器局域网总线 (CAN)、FlexRay 和局域互联网络 (LIN)。为控制线路复杂性个人网络的设计通常是以特定应用程序的需求为导向，将连接不同车辆领域的网关电子控制单元联系在一起。强大的片上系统 (SoC) 和软件系统的结合让汽车制造商能考虑新的合并的系统架构。这方面的一个例子是，一个联合车载信息娱乐系统 (IVI) 和驾驶员信息驾驶舱不仅显示信息娱乐选项，还叠加来自不同信息源的车辆运行数据，如速度、引擎状态、安全指针（车道偏离警报系统 (LDWS) 数据）等。

电子控制单元和模块整合

联网车辆拥有比以往任何时候都多的基于电子控制单元的功能。豪华车使用的电子控制单元已经超过100个，下一个趋势将是从8-16位微控制器向32位基于微处理器的片上系统、再向多核基础架构迁移。这只有在复杂的片上系统的硬件成本继续下降而硬件性能和能力不断变好的情况下才有意义。

随着电子功能的增多，模块整合的必要性变得更加明显。新的电子控制单元被添加到汽车架构上后就出现了一系列的问题。车辆线束的复杂性和重量增加了。车内出现越来越多的电子控制单元也将使标准化越来越受重视。随着硬件平台的发展，重新设计软件或重新构建系统以便在模块之间移动或整合功能性就成了新的挑战。合作关系如汽车开放系统架构 (AUTOSAR) 在为各种汽车软件架构创造和建立开放标准以解决这类问题方面表现不凡。汽车代工厂商、电气供应商、芯片制造商和软件公司均是AUTOSAR 的成员。

连线信息娱乐

现代汽车的信息娱乐系统拥有比以往任何时候都多的功能互动，所以连通性的概念非常广泛。现代信息娱乐系统是驾驶者和乘客指挥和控制车上各种数据的生成和发布的驾驶舱。信息娱乐系统需要连接到车辆网络以便从多个电子控制单元收集数据，并报告自己的状态。从外部来讲，有连接智能设备的期望，这些越来越多地通过应用程序和技术，如苹果 CarPlay (Apple CarPlay)、谷歌安卓汽车 (Google Android Auto)、MirrorLink 实现。随着无人驾驶汽车的出现，信息娱乐功能现在还必须与其他车辆和外界连接。毫不奇怪，通常在车头单元的信息娱乐系统已成为众所周知的 汽车的大脑 。

鉴于这种对职责和功能的期望，嵌入式系统构成的驾驶舱是一项关键技术。Mentor Graphics 已经向一个名叫 Connected OS™ 的概念投资，包括能极大地提高车内体验的下一代解决方案所需的多层集成和连接（图1）。
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图1：连线操作系统 (Connected OS) 的软件平台和开发工具高级视图。
图1：连线操作系统 (Connected OS) 的软件平台和开发工具高级视图。

创新跟上消费电子变革的速度

Connected OS 软件拥有一个模块、一个带增强板支持包 (SuperBSP) 的基于 GENIVI 的 Linux 平台和一个优化的中间件层 (OPTstack)。箱外，该开箱即用的软件平台提供关键技术，如快速启动、即时和优化音频/视频功能--构建先进的汽车应用程序所必需的功能。这方面的一个例子是，紧密集成的 Connected OS 架构可使系统快速启动并激活早期的音频和视频功能，这些对满足带备份相机的信息娱乐系统的要求来说至关重要。

此外，Connected OS 针对新兴的网络技术拥有中间件支持，如 eAVB、A 2 B 等。事先整合的 (eAVB) 软件栈在开发低延迟时间和实时通信的应用方面特别有帮助，如在 ADAS 中的应用（图2）。除此之外，支持 eAVB 这类协议加上视频处理专长让基于 Connected OS 的系统拥有如后座娱乐 (RSE) 这类功能。Connected OS 中的 eAVB 栈按 IEEE AVB 标准开发并符合 AVnu Alliance 要求。支持的 IEEE（美国电气和电子工程师协会）安装包括：IEEE 802.1AS、802.1Qat、802.1Qav、1722.1和1733。同样的，Connected OS 中的对 A 2 B 软件栈的支持让汽车制造商能以更低的系统价格开发音频网络，同时提高车内音频体验。

Connected OS 作为一个基于软件的解决方案可定制程度高，为汽车制造商提供创新的灵活性和为不同车款和车龄分类。
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图2：一个针对IVI和ADAS应用的基于eAVB的网格经典案例。
图2：一个针对IVI和ADAS应用的基于eAVB的网格经典案例。

管理成本的同时实现安全和品质目标

安全和安保一直是汽车厂商考虑的重中之重，随着无人驾驶汽车的出现，已经出现更多的可为黑客和任何外界干扰源利用的无线“攻击表面”。车辆架构的每一个层次都应考虑安保，从硬件到嵌入式软件、应用程序和人为因素。软件缺陷应尽可能地降到最低，继续开发对与安全息息相关的软件的详尽测试策略。通过细心划分，很难完全被验证的与安全息息相关的元素可被分开并利用更为复杂的系统分别验证。Mentor Graphics 已经引进了一个重要软件混合的一体仪器集群解决方案，这让经验证的与安全息息相关的图形指示器与丰富的3D图形在一个单一的显示屏上整合起来（图3）。这些与安全息息相关的图形在一个安全的硬件区运行并在一个单独的通过安全认证的 Nucleus ® SafetyCert™ 实时操作系统 (RTOS) 上运行，在外部干扰和拒绝服务方面使它尽可能地安全。
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图3：单个片上系统上的重要软件混合集群。
图3：单个片上系统上的重要软件混合集群。

支持多个操作系统

Connected OS 的概念不仅仅包括一个基本的 Linux 操作系统。新的多核架构可容纳多个操作系统，并且在它们之间实现紧密的通信联系。这包括 AUTOSAR 基本软件 (BSW) 操作系统、实时操作系统，如 Nucleus RTOS，甚至是让安卓本地运行的链接，或在一个 Linux 容器 (LXC) 里的操作系统。一旦使用多个操作系统，利用诸如 RPMsg 和 VirtIO 协议就可实现安全的通信，这样在一个领域生成的信息就能被传输到另一个领域（图 4 ）。一个例子是需要在安保驾驶员信息集群显示器上出现的电话状态信息。在多核框架中分开领域或通过使用内置管理程序可以对安保和分离进行管理，与此同时优化性能。
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图4：RPMsg和VirtIO的多域通信。

结论

在当今车辆生产当中嵌入式软件的数量和价值仍在继续增长，汽车厂商需要确保他们采用了最新的能使系统安全互动的技术。通过仔细使用行业标准和开放源码软件来节约开发成本已经变得比以往任何时候都重要，而专注的平台提供商，如 Mentor Graphics 正在为二级供应商设定新标准、利用合适的技术创新帮助一级厂商和他们的汽车代工厂商满足生产时间的要求。