FlexRay,FlexRay時(shí)代

2007年5月，超過(guò)200位開(kāi)發(fā)者在斯圖加特匯聚一堂，參加了由Vector Informatik公司主辦的FlexRay大會(huì)。會(huì)上，汽車(chē)OEM和供應(yīng)商展示了他們現(xiàn)在取得的成就、在系統(tǒng)集成方面的經(jīng)驗(yàn)和針對(duì)未來(lái)的實(shí)現(xiàn)理念。

??? 很久以前CAN總線就遭遇了本身的局限性?，F(xiàn)代汽車(chē)電子架構(gòu)需要不斷地?cái)U(kuò)大網(wǎng)絡(luò)化。只有提供更大的傳輸容量，日益加快的控制算法付諸實(shí)施時(shí)才會(huì)產(chǎn)生效果。很多車(chē)型在開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)就已經(jīng)達(dá)到了最大的總線負(fù)載，而沒(méi)有預(yù)留任何帶寬?？偩€系統(tǒng)的數(shù)量加倍無(wú)論如何都不會(huì)使數(shù)據(jù)速率加倍。為系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)而增加的必要的網(wǎng)關(guān)，不僅使系統(tǒng)變得錯(cuò)綜復(fù)雜，而且可能產(chǎn)生不可接受的報(bào)文傳輸延遲。更要命的是，缺乏確定性成為了安全關(guān)鍵應(yīng)用的絆腳石。

??? 在發(fā)展過(guò)程中，CAN不能滿足汽車(chē)中逐漸增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸要求，這導(dǎo)致了FlexRay串行總線系統(tǒng)的發(fā)展[1]。去年底，BMW展示了首個(gè)FlexRay產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用。Vector Informatik公司在那時(shí)舉行FlexRay大會(huì)正是總結(jié)新協(xié)議應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和挑戰(zhàn)的好時(shí)機(jī)。在BMW X5車(chē)上使用FlexRay完成減震器控制系統(tǒng)從兩方面來(lái)講都是一項(xiàng)“時(shí)間關(guān)鍵”工程，這讓項(xiàng)目參與者面臨考驗(yàn)。不僅半導(dǎo)體產(chǎn)品和軟件組件需要按時(shí)生產(chǎn)出來(lái)，而且面對(duì)這樣一項(xiàng)艱巨的工程，其開(kāi)發(fā)流程也必須要很快地適應(yīng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)并能正確運(yùn)轉(zhuǎn)。在這里需要得到供應(yīng)商的支持?！霸贐MW我們不能只為了FlexRay而開(kāi)發(fā)一套新的流程”，BMW AG的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組帶頭人Anton Schedl博士如此表示，“因此我們有意識(shí)地決定選取了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用，這樣可以根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)、使用較短的協(xié)調(diào)和決策路徑迅速實(shí)現(xiàn)改造?！?/P>

????Schedl博士認(rèn)為，在合適的時(shí)間有可用的半導(dǎo)體是這項(xiàng)試驗(yàn)性項(xiàng)目的最大挑戰(zhàn)。得益于OEM和半導(dǎo)體供應(yīng)商共同做出的積極承諾，這一目標(biāo)有可能會(huì)按期完成。

萬(wàn)事開(kāi)頭難

????盡管啟動(dòng)每個(gè)新系統(tǒng)必然會(huì)很困難，但是不同的部件還是比較快地集成到了一起?！皶r(shí)間觸發(fā)通信是將不同供應(yīng)商的部件和軟件代碼集成起來(lái)的理想平臺(tái)”，在Robert Bosch公司汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)部門(mén)工作的Florian Hartwich說(shuō)。他還協(xié)助FlexRay協(xié)會(huì)制定協(xié)議，之前參與了CAN和TTCAN的開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作。因?yàn)槊總€(gè)應(yīng)用系統(tǒng)都在預(yù)先規(guī)定的時(shí)刻發(fā)送報(bào)文并且知道該在何時(shí)接收何報(bào)文，所以在之后可以更為容易地將部件加入到分布式系統(tǒng)中。

????最重要的工作需要在FlexRay系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一啟動(dòng)時(shí)就進(jìn)行。所有的系統(tǒng)描述參數(shù)——比如波特率、循環(huán)時(shí)間、時(shí)隙數(shù)目、時(shí)隙長(zhǎng)度以及靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段的報(bào)文分配——都在開(kāi)始時(shí)定義。因?yàn)榇_定的時(shí)隙是分配給發(fā)送任務(wù)的，所以在工程定義過(guò)程中就必須明確如何組織報(bào)文的時(shí)隙分配、哪些應(yīng)用系統(tǒng)可能最適合提到動(dòng)態(tài)事件驅(qū)動(dòng)段以及應(yīng)該為后續(xù)車(chē)型系列的應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)留多少時(shí)隙等，參考圖1。

圖1 時(shí)隙確定地分配給單個(gè)部件（A，B，C）簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成時(shí)的合并工作

????在分布式系統(tǒng)中保持整體觀特別重要。在一開(kāi)始，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者往往不知道真實(shí)應(yīng)用軟件隨后是如何進(jìn)行實(shí)際通信的，也不清楚它們的執(zhí)行時(shí)間。另一方面，ECU開(kāi)發(fā)者習(xí)慣于只關(guān)注開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，而不怎么關(guān)心整個(gè)FlexRay通信過(guò)程的時(shí)間狀況。但是，一個(gè)循環(huán)內(nèi)的FlexRay數(shù)據(jù)必須保持一致，并且時(shí)間觸發(fā)型總線的應(yīng)用程序也必須保證一直同步。

??? 因此，Hartwich留意了那些可能引起數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。比如，必須避免在發(fā)送過(guò)程中更新發(fā)送數(shù)據(jù)，這會(huì)導(dǎo)致在同一幀中同時(shí)包含新舊數(shù)據(jù)。BMW使用所謂的“信號(hào)窗口”解決了這一問(wèn)題，它保證任務(wù)僅在該專用窗口中發(fā)送報(bào)文。這種方法的另一個(gè)好處是應(yīng)用程序與通信分離：如果通信調(diào)度發(fā)生了改變，那么不會(huì)影響應(yīng)用程序。

??? 在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，任務(wù)同步是一項(xiàng)必須引起特別關(guān)注的關(guān)鍵特性?！罢{(diào)度表的正確同步問(wèn)題至關(guān)重要”，Winfried Janz解釋道，他是Vector公司OSEK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的帶頭人兼產(chǎn)品經(jīng)理。在關(guān)于OSEKtime和AUTOSAR操作系統(tǒng)的演講中，他論述了如何按照規(guī)范使調(diào)度表與全局時(shí)間同步（參考圖2）。選擇硬同步（調(diào)度表跳轉(zhuǎn)到一個(gè)預(yù)定義的執(zhí)行點(diǎn)或者暫時(shí)停止了）還是軟同步（在每個(gè)到期時(shí)刻進(jìn)行時(shí)間調(diào)整，但是這些時(shí)刻的分配是無(wú)規(guī)律的，會(huì)導(dǎo)致一些無(wú)規(guī)律的時(shí)間調(diào)整行為）取決于應(yīng)用程序是否容忍跳轉(zhuǎn)和暫停。

??? 圖2：調(diào)度表狀態(tài)圖顯示了同步是如何實(shí)現(xiàn)的。調(diào)度被啟動(dòng)，但不必立即完全同步（RUNNING）。為實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行（AND SYNCHRONOUS），可以進(jìn)入等待狀態(tài)（SHEDULETABLE_WAITING）或者進(jìn)行軟同步。

??? 在開(kāi)發(fā)階段，監(jiān)視同步和數(shù)據(jù)一致性由軟件工具來(lái)完成?！拔覀儽仨氉龅酵降靥幚砟Ｐ停駝t就會(huì)丟失數(shù)據(jù)”，當(dāng)Carsten B?ke博士解釋Vector的工具CANoe時(shí)他這樣說(shuō)道。B?ke演示了CANoe提供的確保同步和檢測(cè)不一致數(shù)據(jù)的機(jī)制。CANoe運(yùn)行模型的主要體系結(jié)構(gòu)基于一種使用所謂“通知句柄”的通知概念。它包括了接收到消息時(shí)的模型激活、定時(shí)器到期時(shí)的處理和錯(cuò)誤狀態(tài)的檢測(cè)。尤其是，這種概念針對(duì)FlexRay作了擴(kuò)展，包含了在FlexRay循環(huán)的特定時(shí)刻進(jìn)行的同步通知，如圖3所示。另外，B?ke演示了一種運(yùn)行CANoe RT、具有特定硬件支持的優(yōu)化平臺(tái)，該平臺(tái)是為了滿足FlexRay系統(tǒng)嚴(yán)格的時(shí)間要求而定制的，比較適合中小尺寸的硬件在回路仿真。

????? 圖3：在CANoe中，可以參照循環(huán)開(kāi)始或特定時(shí)隙的結(jié)束有規(guī)律地執(zhí)行動(dòng)作。當(dāng)然，通知也可以發(fā)生在總線上接收到幀或丟幀的時(shí)候。

FlexRay與AUTOSAR

????“為將來(lái)做準(zhǔn)備，必須按照AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)新的軟件概念”，負(fù)責(zé)FlexRay基礎(chǔ)軟件開(kāi)發(fā)的Dirk Gro?mann說(shuō)。因?yàn)閂ector Informatik公司是AUTOSAR協(xié)會(huì)的成員，所以該協(xié)會(huì)的成果和結(jié)論很快就在Vector的FlexRay開(kāi)發(fā)中得到了實(shí)踐，如圖4所示。Vector的FlexRay接口和FlexRay driver已經(jīng)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)了，因而可以在今天不用依賴于以后特定的應(yīng)用程序而開(kāi)發(fā)這些組件，而且這些組件可以靈活地適合不同的車(chē)型和平臺(tái)。FlexRay driver對(duì)通信控制器進(jìn)行了抽象，而FlexRay接口提供了針對(duì)和FlexRay調(diào)度表無(wú)關(guān)的單個(gè)PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）的訪問(wèn)入口。 此外，Vector提供符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)管理和傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)。作為對(duì)AUTOSAR的補(bǔ)充，可以將XCP協(xié)議集成到FlexRay棧中。Gro?mann還談到通過(guò)FlexRay進(jìn)行flash編程的可能性：“一種方案是完全交換協(xié)議并且使用單獨(dú)的調(diào)度表進(jìn)行flash編程?！?/P>

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???? 圖4：符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的FlexRay軟件方案可靈活地適應(yīng)不同的需求。該圖展示了一種帶有driver（相對(duì)于AUTOSAR進(jìn)行了擴(kuò)展并增加了XCP傳輸層和協(xié)議模塊）的FlexRay棧。

??? Oliver Kitt在其演講中更為深入地論述了使用XCP（由ASAM標(biāo)準(zhǔn)化的一種標(biāo)定協(xié)議）標(biāo)定ECU的話題。在Vector公司，他負(fù)責(zé)測(cè)量、標(biāo)定和診斷工具CANape的硬件接口集成工作。XCP中的“X”表示不同的傳輸層，比如它可以表示XCP-on-CAN、XCP-on-Ethernet以及2006年2月發(fā)布的XCP-on-FlexRay等。這是一種單主/多從概念，可以非常高效地與ECU通信并且使用可變帶寬進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定?？梢詫lave集成到FlexRay棧中，而由工具來(lái)提供對(duì)協(xié)議master功能的支持。在運(yùn)行時(shí)刻根據(jù)需要為單個(gè)節(jié)點(diǎn)重新分配帶寬。有必要使用一種增強(qiáng)版FlexRay driver來(lái)實(shí)現(xiàn)XCP-on-FlexRay的buffer重配置。這也展示出組件的靈活操作。

??? FlexRay協(xié)議規(guī)范的編輯，在Freescale公司負(fù)責(zé)FlexRay相關(guān)工作的Mathias Rausch博士（工程學(xué)），闡述了buffer結(jié)構(gòu)是如何影響整個(gè)系統(tǒng)的。Rausch詳細(xì)描述了配置不同的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)段時(shí)優(yōu)化buffer存放的方法。另外，F(xiàn)reescale利用了FlexRay協(xié)議中沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定控制器主機(jī)接口（CHI）、僅規(guī)定最低需求作為約束條件的實(shí)際情況。這給了半導(dǎo)體廠商提供特殊功能的自由。CHI的優(yōu)化設(shè)計(jì)使隨后的軟件更容易構(gòu)造。Rausch建議使用工具，因?yàn)椤芭渲枚噙_(dá)128個(gè)消息buffer時(shí)需要考慮很多參數(shù)”。

??? 在Schedl博士的請(qǐng)求下，NXP半導(dǎo)體公司汽車(chē)商務(wù)領(lǐng)域創(chuàng)新和發(fā)展管理主管Patrick Heuts先生挑選出了更為經(jīng)濟(jì)的FlexRay組件?！俺耸瞻l(fā)器，我們也提供FlexRay控制器，它是完全集成在MCU中的，是一種單片機(jī)方案。相比較那種通常作為外圍設(shè)備嵌入到MCU中的FlexRay控制器，這種完全集成的方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)。比如，消息buffer的數(shù)量和類(lèi)型可以靈活配置。事實(shí)上，完全集成的FlexRay控制器工作起來(lái)更像一種具有一個(gè)或兩個(gè)通道的DMA工具。NXP半導(dǎo)體公司的下一步計(jì)劃是研究在片上集成收發(fā)器是否可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本”。參考圖5。

????? 圖5：NXP半導(dǎo)體公司提供了“MCU中心”解決方案，其優(yōu)點(diǎn)是在MCU中完全集成了FlexRay控制器。

??? 盡管宣稱的目標(biāo)之一是“降低成本”，F(xiàn)lexRay系統(tǒng)已經(jīng)不再比相似的CAN架構(gòu)貴多少了。因?yàn)樾枰黾颖匾墓杵?，F(xiàn)lexRay的芯片成本要高于CAN。但是，BMW的內(nèi)部研究表明，整個(gè)系統(tǒng)的成本是非常接近的，而且還獲得了更高的性能和可擴(kuò)充性以及更低的復(fù)雜度。

結(jié)論

??? FlexRay有很多潛力。BMW的試驗(yàn)性項(xiàng)目還僅僅是開(kāi)始，它證明了FlexRay系統(tǒng)“一旦正確建立”就可以穩(wěn)定地運(yùn)行。強(qiáng)烈建議在不同的開(kāi)發(fā)階段選擇通用工具，以便保持對(duì)眾多不同需求的清晰的整體觀。具有擴(kuò)展檢查系統(tǒng)的工具簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)者的工作并且從一開(kāi)始就能幫助預(yù)防錯(cuò)誤。由于FlexRay，很快就會(huì)出現(xiàn)大量的計(jì)算機(jī)通信應(yīng)用軟件。

參考文獻(xiàn)：

[1] Mayer, E.: Data communication in the automobile. Part 4: FlexRay for data exchange in safety-critical applications. Elektronik Automotive, 2007, Issue 2, pp. 42ff.