一文了解未来汽车电子可能的变化？

我分别从E/E架构、通讯方式、软件合作模式、汽车总线、软件架构和流程标准等方面谈下可能涉及的变化,认识比较浅且内容会很长,欢迎拍砖。

一、汽车E/E架构:分布式->域集中->中央计算机

目前的汽车有多达几十甚至上百个电子控制单元并连接到多种总线上,平均来说,目前的汽车大约采用25个ECU,但一些高端车型已经超过100个ECU。在过去,汽车电子电气架构一直遵循着“一个功能一个盒子”的分布式架构模式。如变速箱控制由TCU负责,发动机控制由EMS负责,虽这两个同样在动力域但分别由供应商提供各自的硬件和软件。在这样的汽车电子电气架构形式下,每增加一个功能,就需要动相应的控制器,涉及多方的交流和维护成本,进一步增加系统的复杂性和成本。最终会导致一个规模更大且复杂的车载网络和布线,也从另一方面影响整车的轻量化。

面对汽车功能和软件复杂度的提升,需要对汽车E/E架构进行重构,建立更加灵活的体系架构。域控制器也是最近这些年才热起来的,所谓的域就是将整车划归为不同的区,如动力域、车身域、底盘域、娱乐域等,每个域只挂载单个控制器来负责所在域的功能,减少之前一个功能、一个“盒子”的分布式E/E架构复杂的布线和集成:其实就是将多个控制器的软件糅合进一个控制器,例如对于纯电车,动力域有BMS、MCU、VCU、DCDC等控制器,将这些控制器的功能全部放在一个控制器里,并交给一方来做,不仅省了其他控制器硬件成本的钱,也由对接多方转为对接一方,想想也美滋滋。

域控制器可大大降低控制器数量和整车布线,而多核异构芯片、Hypervisor等技术都从软硬件方面为域控制发展和应用提供了支持。目前BOSCH等供应商都已有相应的域控制器产品,但实现真正的域集中E/E架构依然还需要很长时间,毕竟这不是一己之力才能实现的,需要OEM、供应商等共同大力合作和推进才能实现。例如同一个域控制器中软件可能由多个供应商提供,每个供应商除了负责各自软件的升级,还涉及复杂且不同类型软件的集成和测试,那么使集成和升级工作变的相对容易些就是一个问题。再比如不同域的域控制器由不同供应商与OEM合作开发,又会带来很多新的问题。

域控制器最终的目标是中央计算机架构,中央计算机由异构的多核处理器构成,将整车功能集中到一起。

二、在基于信号通讯的基础上引入面向服务(SOA)的通讯,并融合两者的优势

基于信号的通讯方式,即信息发送者不Care谁接收而只负责将信号发送出去,接收者也不Care是谁发送的而只负责接收自己的想要的即可。基于信号的通讯可将某节点的某信息通过总线传送给需要该信息的其他节点,信息主要为一些物理状态值及一些控制值,如发送机转速、车速等,信号有周期、事件或混合触发方式。

基于信号的通讯是目前车载总线普遍采用的,如控制器之间通过CAN总线进行的信息传输,我们关注的是通讯矩阵上的帧、帧中所包含的信号、周期和交互的节点等信息。

SOA是一种软件架构,同时也是一种软件设计方法和理念,在IT领域已有数十年的应用经验。SOA具备 “松耦合”、”接口标准可访问”和”易于扩展”等特点,使得开发人员能以最小的软件变更应对迭代多变的客户需求。迄今为止,对于面向服务的架构(Service-Oriented Architecture,SOA)还没有一个公认的定义,许多组织从不同的角度对 SOA 进行了描述,较为典型的有以下三个:

(1)W3C 的定义:SOA 是一种应用程序架构,在这种架构中,所有功能都定义为独立的服务,这些服务带有定义明确的可调用接口,能够以定义好的顺序调用这些服务来形成业务流程。

(2)Service-architecture．com 的定义:服务是精确定义、封装完善、独立于其他服务所处环境和状态的函数。SOA 本质上是服务的集合,服务之间彼此通信,这种通信可能是简单的数据传送,也可能是两个或更多的服务协调进行某些活动。服务之间需要某些方法进行连接。

(3)Gartner 的定义:SOA 是一种 C/S 架构的软件设计方法,应用由服务和服务使用者组成,SOA 与大多数通用的 C/S 架构模型不同之处,在于它着重强调构件的松散耦合,并使用独立的标准接口。

那如何理解SOA呢?理解SOA要以下面的例子先了解服务、服务接口和服务相关角色三个概念:

服务指的是某种功能的函数或方法,如上面的Weather Service和Map Service可分别提供天气和地图信息,就是一种服务。而服务接口则是服务与外界联系的窗口,及作为服务模块与外界能够进行信息交互的API。

常用的服务接口有方法Method、事件Event和字段Feild(可参考本公众号车载以太网那两篇),如下:

服务相关角色我们常接触的有服务器端Server、客户端Client和服务注册和代理方,首先服务注册和代理实现服务的注册/订阅/发布等;客户端用于使用服务接口调用使用服务,而服务器端则用于实现服务。

汽车为何要引入SOA?首先基于SOA的通讯方式有如下优点:

1、服务高内聚,软件易重用:一个服务往往只关注一件事并把这件事做好,这件事的内容(功能)需要从业务的角度进行梳理,

2、服务的灵活部署:通过服务发现机制,可在控制器运行时获取服务的位置和提供方,并可在整车生命周期内调整服务角色的部署位置,使功能分配更灵活。

3、软件更新升级更快捷:一个功能改变可能只需要升级和更新一个服务,而且服务是一个独立可执行单元可单独安装升级,因此软件维护和扩展更容易。

因此基于上面的优势,伴随着汽车智能化、网联化、共享化的趋势,终端用户对车辆功能的预期也悄然发生着改变,汽车在实现高等级自动驾驶/辅助驾驶功能的同时,也更趋向于提升用户体验,例如满足快速的功能更新和升级,可以提供个性化、人性化、差异化的功能与服务等。面向服务的软件架构(Service-Oriented Architecture)正为未来的车辆软件服务提供良好的解决方案。不同于传统汽车电子电气架构中面向信号的架构,面向服务的软件架构(SOA)通过标准化的服务接口,松耦合的服务机制以及可组合扩展的服务特性

基于上面的介绍,基于信号的通讯仅支持发送和接收模式,支持的数据类型简单且可扩展性差,适用于有限大小数据交互的应用场景。而诸如自动驾驶等先进应用场景加入后,大量数据的动态交互必须采用面向服务的通讯方式以提高通讯效率降低负载,在该种方式下,接收者作为客户端,只需要查找、订阅服务等待接收信息即可,而发送者作为服务提供者只需要给订阅者提供服务和信息即可,因基于SOA的通讯支持请求/响应模式,可扩展性强且支持复杂数据的传输,因此应发挥各自优势。