汽车电子架构 | 故事起源

近几十年来，汽车工业与电子技术的融合不断加深，催生了汽车产业链中的一个重要细分领域——汽车电子。

在这个领域中，可以明显看到两类产品方向的发展：

🏎️💨 汽车电子控制装置：这类装置需要与机械结构耦合，用来完成发动机、传动、底盘和车身电子控制。典型系统包括燃油喷射系统、防抱死制动系统、电子控制悬架、电子动力转向等。随着汽车动力系统的电动化，电控系统的控制性能和集成度得到了提升。

🏎️💨 汽车电子信息装置：这类装置为自动驾驶、驾驶辅助或车内乘员提供信息支撑。包括环境感知系统、导航系统、驾驶决策、人机交互、信息娱乐和车载通信系统等。智能化和电动化的赋能使得汽车电子系统架构出现了明显的分层，即下层为动力学控制层，上层为信息处理层。

这种融合发展的趋势，使得汽车不仅具备了更强大的动力控制和安全性能，还增加了智能化、自动化驾驶以及丰富的信息娱乐功能，为汽车行业带来了全新的发展机遇

在汽车电子领域，控制层面和信息层面都经历了重大变革：

🚙 控制层面：

• 传统的分布式汽车电子系统架构 采用单独的ECU配置关键总成部件，但随着智能电动汽车等功能的不断复杂化，传感器和控制器数量增加，复杂的线束和有限的计算能力成为成本降低、可靠性提高和能效提升的障碍。
• 为了应对这一挑战，汽车电子电气架构正向域控制器集中，将软硬件功能整合到一起，以应对复杂性和效率的要求。这一趋势对于智能电动汽车等功能定义的日益复杂的汽车来说，是一种新的发展方向。

🚙 信息层面：

• 传统的驾驶模式以驾驶员为车辆控制核心，但受到人类能力的制约。人对于大量信息感知和高带宽响应的限制，以及注意力集中度、驾驶技能和心理素质等方面的不确定性，制约了驾驶安全性和交通效率的提高。
• 随着智能驾驶技术的发展，以智能驾驶技术辅助甚至替换人类驾驶成为技术演进的必然趋势。在电动化动力系统基础上构建的面向智能化和高度信息化的汽车电子体系，需要更强大的信息处理能力和更快的数据传递通道，以应对驾驶过程中信息量的急剧增加和传输环节的增加的挑战。

🌱 🌱 🌱 在上述技术趋势的推动下，基于高性能微处理器（MPU）和片上混合芯片（SoC）构建的域控制器将逐步取代基于微控制单元（MCU）的多电子控制单元（ECU）分布式控制方式。这种演进将向以超强算力中央处理器为核心的中央计算架构发展，以更好地满足复杂应用场景的需求，包括完成车辆行进过程中的自动驾驶和车路协同控制等复杂功能。

具体来说：

🏍️ 域控制器集中控制方式：基于高性能微处理器和片上混合芯片构建的域控制器，可以集成多种功能和算法，并具有更高的计算能力和灵活性。相比于传统的多ECU分布式控制方式，域控制器能够更好地处理复杂的应用场景需求，提高车辆系统的整体性能和效率。

🏍️ 中央计算架构：以超强算力中央处理器为核心的中央计算架构将成为新的发展方向。这种架构可以更好地集成各种传感器数据和算法，并实现车辆行进过程中的自动驾驶和车路协同控制等复杂功能。中央计算架构的优势在于统一管理和优化资源利用，提高系统的整体性能和响应速度。

这种演进将推动汽车电子系统向更高性能、更集成化、更智能化的方向发展，为实现更安全、更智能的汽车驾驶体验打下坚实基础。

从汽车电子电气架构由分布式走向集中式的过程可以看出，汽车电子电气架构的演进从本质上来说是两个方面基因的混合：

🚌 汽车电子控制：

• 这一方面的特征是分布式的实时控制，主要源自汽车电子领域。
• 它涵盖了车辆各个关键系统的控制，例如发动机、传动、底盘和车身电子控制。
• 传统上，这些控制功能由多个单独的电子控制单元（ECU）完成，形成了分布式的架构。

🚌 互联网技术：

• 这一方面的特征包括高算力计算、高带宽网络、高容量存储和云-管-端架构。
• 它主要源自互联网领域，为现代汽车电子架构提供了新的思路和技术支持。

为了适应新型架构，汽车电子网络技术正在经历以下变革：

🚌 从LIN/CAN总线向车载以太网的发展：

• 车载以太网继承了互联网的通信技术，并在底层做了适应性改造，以满足汽车电磁环境对其物理层的要求。
• 时间敏感网络（TSN）技术的发展使得车载以太网能够满足汽车电子系统对强实时性的需求。

🚌 通信技术的改变：

• 这些变革也支持了软件技术的发展，例如基于TCP/IP的SOME/IP技术，为面向服务的软件架构奠定了通信基础。

汽车电子电气架构的演进是汽车电子控制和互联网技术的有机融合，推动了传统分布式架构向集中式架构的转变，以满足汽车日益复杂的功能和服务需求。

🌱 🌱 🌱 在面向实时控制的嵌入式时代，开放式系统及接口（OSEK）实时操作系统解决了多任务实时调度问题，并形成了嵌入式系统底层软件的一套标准。从OSEK的基础上发展出来的Classic AUTOSAR以虚拟功能总线（VFB）作为广义的“中间件”，解决了汽车嵌入式软件架构不清晰的问题，成为事实上的行业标准。然而，在汽车智能化、网联化的背景下，Adaptive AUTOSAR引入了服务的概念，实现了以服务请求、服务提供和服务发现为特征的更高层面的抽象，形成了面向服务（SOA）的新型中间件架构，将汽车的软件架构发展成为Adaptive AUTOSAR。

面向服务的架构被认为是未来汽车软件发展的核心技术之一。深入理解SOA架构作为新一代汽车电子解决方案背后的驱动因素及技术逻辑需要：

🚒 深入探讨SOA的概念产生：了解SOA架构的发展历程、背景和动机，以及它在解决汽车软件架构复杂性方面的优势。

🚒 理解设计流程和实现方法：研究SOA架构的设计方法和实施策略，包括服务定义、服务组织、服务调用等方面的技术细节。

🚒 关注行业进展：跟踪汽车行业对SOA架构的采纳和应用情况，了解相关标准的制定和推广情况，以及行业趋势的发展方向。

🚒 注意品质保证：关注SOA架构在可靠性、功能安全、网络安全和适应性等方面的品质保证措施，确保汽车软件系统的稳定性和安全性。

深入理解SOA架构作为新一代汽车电子解决方案的驱动因素和技术逻辑，需要对其概念产生、设计流程、实现方法、行业进展以及品质保证等方面进行全面的研究和探讨。

🌱 🌱 🌱 传统的汽车电子中，由于机、电系统之间，控制软件和硬件之间存在深度耦合，汽车电子供应商和主机厂在汽车嵌入式系统开发中采用的开发流程被总结为V模式。该模式体现出的开发理念是从系统产品的功能定义和方案设计，一直到产品完成后的集成测试/匹配/标定，“设计-实现-验证”贯穿研发过程的每一个阶段，该流程规范了开发过程中的步骤，并将规范化的开发理念凝结到相关工具链中，大大提高了汽车电子技术的规范性和可靠性。其与专门针对汽车嵌入式应用软件开发的Classic AUTOSAR体系规范，以及其他一些由非功能性需求驱动建立的架构方法，共同构成了传统汽车电子系统产品开发的方法论。

具体来说：

🚔 V模式：

• V模式将整个开发过程分为两个主要阶段：左侧的需求分析、系统设计、软件设计和单元测试等阶段，以及右侧的集成测试、系统测试、验收测试和标定等阶段。
• 这种模式强调了设计、实现和验证在整个开发周期中的连续性和互动性，确保了每一阶段的输出符合上一阶段的需求，并为下一阶段的开发提供了可靠的基础。

🚔 Classic AUTOSAR：

• Classic AUTOSAR是针对汽车嵌入式应用软件开发的一套体系规范，旨在提高汽车电子系统的可重用性和可扩展性。
• 它定义了汽车电子软件架构的标准化，使得不同供应商开发的软件模块可以在不同车型和厂商间进行共享和交换，从而降低了开发成本和时间。

🚔 其他架构方法：

• 除了Classic AUTOSAR之外，还有一些由非功能性需求驱动的架构方法，如功能安全标准ISO 26262、通信标准CAN和FlexRay等，都在传统汽车电子系统产品开发的方法论中发挥着重要作用。
• 这些方法共同构成了传统汽车电子系统产品开发的方法论，为汽车电子技术的发展提供了可靠的指导和支持。

传统的V模式开发流程在本质上是硬件和软件同步的，两者高度耦合，同时也与被控对象高度耦合，这限制了软件和数据的快速更新。随着汽车电子系统的智能化需求不断增加，传统的开发方法越来越难以满足功能迭代和优化的需求。因此，发展一种更加灵活、高效的汽车电子开发方法变得非常必要。

互联网式的敏捷开发、快速迭代等方法正越来越多地应用于汽车电子领域。随着技术架构的变革，传统的汽车电子开发方法正在从软硬件同步迭代的V型开发模式转向更具灵活性的敏捷开发模式。在这种变革中，硬件先行高配，而软件则通过无线网络适时更新成为新的技术趋势。空中下载（OTA）技术通过Tbox连接无线网络，直接实现汽车电子系统的数据、软件更新。利用该升级方式，可以在线上增加功能、修复系统漏洞、减小因软件故障召回的概率、提供及时的售后服务，以及加速针对驾驶员个性化需求的学习和更新。

基于OTA和敏捷开发的开发范式将为汽车电子产业链带来新的方法论和工具链，为汽车电子系统的快速发展和智能化提供更强大的支持。

参考资料

《汽车电子与软件架构》

《汽车嵌入式系统：原理、设计与实现》