從工程師的角度看AUTOSAR

“軟件定義汽車(chē)”的火熱帶動(dòng)了工程師們對(duì)于汽車(chē)電子軟件熱烈地討論。不曾想到，隱藏在控制器內(nèi)部，默默地發(fā)揮著作用的汽車(chē)電子軟件，如今備受矚目。本人畢業(yè)到現(xiàn)在，一直在汽車(chē)行業(yè)做軟件，切身感受到一系列的變化。寫(xiě)軟件的方法在變，行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在變，和OEM合作模式在變，還有敏捷轉(zhuǎn)型等等。10多年前，有人認(rèn)為汽車(chē)行業(yè)是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，IT是朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)在看來(lái)，無(wú)論是汽車(chē)還是IT，依然朝氣蓬勃，更令人欣喜的是，這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)的融合為未來(lái)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。

1

開(kāi)端-OSEK/VDX

OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)代表著汽車(chē)電子軟件標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)端，該標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成：實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)（OSEK OS），通訊子系統(tǒng)（OSEK-COM）和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（OSEK-NM）。

在OSEK出現(xiàn)之前，軟件生產(chǎn)商們僅依靠自身積累，寫(xiě)出的軟件五花八門(mén)，水平參差不齊，有些甚至沒(méi)有清晰的軟件層次結(jié)構(gòu)，這樣寫(xiě)出的軟件質(zhì)量堪憂，并且可維護(hù)性是很差的。有了OSEK標(biāo)準(zhǔn)的借鑒和指導(dǎo)，很多軟件生產(chǎn)商依照OSEK標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)出了自己的軟件產(chǎn)品。像汽車(chē)行業(yè)的Tier1，提供軟件與硬件整套完整方案是常態(tài)，Tier1自研的完善可靠的軟件產(chǎn)品也是其核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。

OSEK OS是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以滿足大多數(shù)汽車(chē)控制器的任務(wù)調(diào)度要求。另外其可移植性和可擴(kuò)展性很高，可以輕松移植到新MCU平臺(tái)。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求，除了要有好的操作系統(tǒng)，也需要程序設(shè)計(jì)者合理地規(guī)劃常規(guī)任務(wù)和中斷處理程序，如果任務(wù)阻塞或執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)極大的影響正常任務(wù)的調(diào)度。近年來(lái)，軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和確定性執(zhí)行也不斷地在演進(jìn)。確定性操作系統(tǒng)，再配合邏輯執(zhí)行時(shí)間（LET）模型，可提供更高級(jí)別的功能安全機(jī)制。

下圖摘取自O(shè)SEK標(biāo)準(zhǔn)文檔，圖中展示了OSEK/VDX的基本結(jié)構(gòu)和各組件間的關(guān)系。這也算是典型的帶網(wǎng)絡(luò)通信的汽車(chē)ECU軟件的最小系統(tǒng)了。

在2000年左右，Tier1的ECU軟件自研比例非常高，對(duì)軟件產(chǎn)品的掌控力也相當(dāng)強(qiáng)，底層軟件和應(yīng)用層軟件都由Tier1完成開(kāi)發(fā)。OEM和Tier1之間軟件開(kāi)發(fā)的合作方式，主要是由OEM向Tier1分發(fā)書(shū)寫(xiě)格式和內(nèi)容非常規(guī)范化的需求文檔，有些做到好的，則采用格式化的語(yǔ)言來(lái)描述需求，甚至是偽代碼的書(shū)寫(xiě)形式。

V模型開(kāi)發(fā)流程（瀑布模型的進(jìn)階）是當(dāng)時(shí)的主流。按自上而下的過(guò)程遞交交付物，并在相對(duì)應(yīng)層級(jí)依次驗(yàn)證，是V模型開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。V模型開(kāi)發(fā)迭代周期長(zhǎng)，一般與功能交樣時(shí)間相匹配。迭代次數(shù)少，一般5到6次迭代后，基本就到SOP量產(chǎn)了。當(dāng)時(shí)汽車(chē)ECU功能定義固化早，每個(gè)ECU功能數(shù)量較少，需求開(kāi)發(fā)相對(duì)穩(wěn)定，在當(dāng)時(shí)看來(lái)，V模型的開(kāi)發(fā)流程是非常合適的。

2

進(jìn)階-AUTOSAR

上文提到了OSEK，因?yàn)樗cAUTOSAR頗具淵源，AUTOSAR的部分設(shè)計(jì)也參考了OSEK標(biāo)準(zhǔn)。OSEK是汽車(chē)軟件標(biāo)準(zhǔn)化的第一步，它影響的范圍是ECU層面。OEM和Tier1之間穩(wěn)定的合作方式也已經(jīng)形成。但汽車(chē)軟件標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程并沒(méi)有停下來(lái)。

這里插句題外話。OEM和Tier1的這種合作模式下，Tier1的系統(tǒng)與軟件能力變得格外的強(qiáng)，另外OSEK的標(biāo)準(zhǔn)化，總線設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，也讓各個(gè)廠家設(shè)計(jì)的ECU之間的連通變得簡(jiǎn)單。在這個(gè)背景下，Tier1對(duì)整車(chē)電子電器架構(gòu)的影響很大，依靠Tier1的能力，攢起一套主流的電子電器架構(gòu)也成為可能。行業(yè)頭部的整車(chē)廠，Tier1，芯片等其他環(huán)節(jié)的供應(yīng)商，對(duì)電子電器架構(gòu)的構(gòu)想也一定程度上推動(dòng)著行業(yè)的發(fā)展。

上文有提到過(guò)，OEM需要花費(fèi)相當(dāng)大的精力來(lái)書(shū)寫(xiě)需求說(shuō)明書(shū)，以描述ECU的應(yīng)用層功能，完成后交予Tier1來(lái)開(kāi)發(fā)軟件。而隨著車(chē)上的ECU數(shù)量不斷增加，信號(hào)復(fù)雜程度增加，傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式顯露出了開(kāi)發(fā)復(fù)雜，維護(hù)困難等弊端。讓汽車(chē)電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更靈活，更有效率，成為汽車(chē)工程師的目標(biāo)。AUTOSAR的誕生旨在達(dá)成這個(gè)目標(biāo)。AUTOSAR從一開(kāi)始就志在整體汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化。所以AUTOSAR所涵蓋的方法論，虛擬功能總線，元模型與模板工具，軟件架構(gòu)及模塊，所有這些工作都導(dǎo)向這一目標(biāo)?？梢院敛豢鋸埖恼f(shuō)，AUTOSAR是汽車(chē)工程師的智慧結(jié)晶。

AUTOSAR的推出，OEM與Tier1之間的合作方式有了微妙的變化。在介紹新的合作方式之前，這里 先介紹下AUTOSAR的核心概念：虛擬功能總線（VFB）。

下圖引用自AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)。如圖，VFB之上描述的是軟件組件（SWC），以實(shí)現(xiàn)軟硬分離。OEM著重于系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)，包含SWC的設(shè)計(jì)及它們之間的通信方式。VFB是虛擬總線，真實(shí)的情況是它們以Flexray，CAN總線方式通信，或者是ECU的內(nèi)部通信。而這些都會(huì)在整車(chē)開(kāi)發(fā)流程中的SWC部署，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。

在了解以上的基本概念后，再來(lái)講講OEM和Tier1的合作方式有哪些。

方式一：

OEM：以AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)及軟件架構(gòu)，并以ARXML的形式導(dǎo)出，同時(shí)負(fù)責(zé)應(yīng)用層軟件SWC的開(kāi)發(fā)。

Tier1：以AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)方法完成基礎(chǔ)軟件的配置與生成，復(fù)雜驅(qū)動(dòng)軟件的開(kāi)發(fā)，最終軟件的集成與版本釋放，并提供硬件平臺(tái)。

特點(diǎn)：雙方關(guān)注自己負(fù)責(zé)的軟件部分，耦合部分不多，溝通成本最低。

方式二：

OEM：基本與方式一相同，但OEM自己不開(kāi)發(fā)應(yīng)用層軟件。

Tier1：除了方式一提到的內(nèi)容，還包括應(yīng)用層軟件的開(kāi)發(fā)。

特點(diǎn)：軟件開(kāi)發(fā)的工作都落到了Tier1身上，但應(yīng)用層軟件需求溝通的成本較高。

方式三：

OEM：除了系統(tǒng)及軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)以外，OEM還負(fù)責(zé)應(yīng)用層及底層軟件開(kāi)發(fā)，包括最終軟件的集成與釋放。

Tier1：僅配置MCAL部分的軟件。

特點(diǎn)：OEM包攬了大部分的軟件工作，Tier1的價(jià)值僅在于提供硬件平臺(tái)（包括MCAL軟件）。

方式四：

OEM：按自身的方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)及發(fā)布需求，但并不是AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)方法，應(yīng)用層軟件開(kāi)發(fā)為備選。

Tier1：以AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)方法完成底層軟件，應(yīng)用層軟件為備選，取決于OEM是否提供基于標(biāo)準(zhǔn)接口的應(yīng)用層軟件。

特點(diǎn)：此方式用到了AUTOSAR軟件標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)和模塊，但缺少了精髓的系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分。

另外，AUTOSAR也改變了軟件工程師需要的技能和工作方式。手工代碼漸漸轉(zhuǎn)向基于模型的開(kāi)發(fā)，底層功能模塊依靠工具配置及代碼生成。驗(yàn)證軟件的方式也更多樣，模型仿真，SIL，HIL等等。

3

突破-AP AUTOSAR

從本節(jié)開(kāi)始，AUTOSAR會(huì)標(biāo)注CP （Classic Platform） 和AP （Adaptive Platform），以示區(qū)分。

CP AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)也在不停的演進(jìn)中，Ethenet， Crypto， E2E， SOME/IP等等也是在4.X的版本中才出現(xiàn)。基本上，有新的技術(shù)需要運(yùn)用，AUTOSAR就有推出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

但CP平臺(tái)畢竟有它的局限性，對(duì)于高算力的應(yīng)用場(chǎng)景無(wú)能為力。AP AUTOSAR的出現(xiàn)正是應(yīng)對(duì)高性能計(jì)算平臺(tái)的需要，AP AUTOSAR的定位是運(yùn)行于POSIX操作系統(tǒng)之上的中間件。設(shè)計(jì)者也不乏考慮，AP平臺(tái)和CP平臺(tái)在一個(gè)架構(gòu)下共存的問(wèn)題。所以它與生俱來(lái)，具備和CP AUTOSAR有良好的交互能力。

高性能計(jì)算平臺(tái)必然是未來(lái)電子電器架構(gòu)的主角，已經(jīng)有不少架構(gòu)師們?cè)O(shè)想把它運(yùn)用到多域控制器，以及中央計(jì)算平臺(tái)當(dāng)中。AP AUTOSAR在高性能計(jì)算平臺(tái)的作用不可小覷。這可以從AP AUTOSAR的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)得出。

ARA：COM提供應(yīng)用層之間標(biāo)準(zhǔn)且可靠的通信方式，統(tǒng)一化的通信方式有助于避免由于通信機(jī)制的不同造成的設(shè)計(jì)缺陷。同時(shí)支持事件驅(qū)動(dòng)和輪詢模式也是它的主要特點(diǎn)，因?qū)崟r(shí)應(yīng)用程序通?；谳喸兡Ｊ?，而支持此模式可以保證前后級(jí)數(shù)據(jù)傳遞式樣的一致，避免不必要的上下文切換。

ARA：EXEC主控應(yīng)用程序的生命周期，設(shè)計(jì)者同時(shí)也考慮了功能安全方面的設(shè)計(jì)，例如狀態(tài)恢復(fù)，資源管理，確定性執(zhí)行等機(jī)制。

ARA：SM 收集應(yīng)用程序的各種異常狀態(tài)并適時(shí)地調(diào)整相應(yīng)的應(yīng)用程序功能，為功能安全提供有效的機(jī)制。

ARA：PHM提供監(jiān)控應(yīng)用程序的能力，并在檢測(cè)到異常后執(zhí)行恢復(fù)動(dòng)作。它支持幾種典型的任務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)制：alive， deadline， logical supervision。

其他AP AUTOSAR包含的API及Service組件不在這里 一一介紹?？梢钥闯觯珹PAUTOSAR除了提供基本的應(yīng)用層開(kāi)發(fā)平臺(tái)中間件，同時(shí)也有不少功能安全上的考慮，其中一些機(jī)制可以有效的應(yīng)對(duì)ISO26262軟件部分“Freedom from interference”中提出的相關(guān)需求。

AP AUTOSAR在這樣一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境下誕生，工程師們必定對(duì)其賦予厚望，從它的設(shè)計(jì)思路來(lái)看，AP AUTOSAR不但吸取了現(xiàn)有成熟的技術(shù)，同時(shí)也有所創(chuàng)新，引入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的同時(shí)也不乏考慮其適用性和可靠性。如今AP AUTOSAR剛經(jīng)歷了幾個(gè)版本，對(duì)比CP AUTOSAR從萌芽到茁壯成長(zhǎng)的過(guò)程，AUTOSAR的未來(lái)必定可期。

— END—

《淺談汽車(chē)電子軟件》專(zhuān)輯

進(jìn)入汽車(chē)行業(yè)是偶然，但選擇做軟件是必然。聽(tīng)一位前輩說(shuō)過(guò)，“你永遠(yuǎn)別指望一個(gè)人能把一件不喜歡的事做好”，軟件技術(shù)一直是我的愛(ài)好，汽車(chē)也是我熱愛(ài)的，慶幸當(dāng)初的自己能選擇這個(gè)行業(yè)?，F(xiàn)在閑暇時(shí)寫(xiě)一些分享性的文章，希望和行業(yè)中的友人們一起成長(zhǎng)。

作者：Paulfrank