面向OEM的AUTOSAR解決方案

一、 AUTOSAR背景介紹

　　AUTOSAR是英文AUTomotive Open Systems ARchitecture的縮寫，中文意思是汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)，它定義了一套支持分布式的、功能驅(qū)動(dòng)的汽車電子軟件開發(fā)方法和電子控制單元上的軟件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化方案，以便應(yīng)用于不同的汽車平臺(tái)，提高軟件復(fù)用，降低開發(fā)成本。AUTOSAR是由汽車OEM和其一線供應(yīng)商建立的汽車軟件開發(fā)全球合作聯(lián)盟，于2003年夏天正式成立，并于2004年啟動(dòng)了主要的工作，其目的就在于控制汽車軟件的復(fù)雜性和多樣性。AUTOSAR包括9個(gè)核心成員：BMW Groups（寶馬）、BOSCH（博世）、Continental（大陸）、DAIMLER（戴姆勒）、Ford（福特）、GM（通用）、PSA Peugeot Citron（標(biāo)志-雪鐵龍）、TOYOTA（豐田）、VOLKSWAGEN AG（大眾）。目前其成員已超過150個(gè)，國(guó)內(nèi)OEM中已有一汽及上汽加入，恒潤(rùn)科技成為繼一汽、上汽之后，國(guó)內(nèi)第三家加入該組織的公司。

　　AUTOSAR自面世以來，從半導(dǎo)體工業(yè)、工具和軟件廠商、零部件供應(yīng)商到汽車制造商本身，整個(gè)汽車領(lǐng)域內(nèi)的價(jià)值體系都給予該標(biāo)準(zhǔn)積極的推動(dòng)。 AUTOSAR開發(fā)成員在2007年發(fā)布了2.1版本，使AUTOSAR的發(fā)展到達(dá)了一個(gè)穩(wěn)定的階段，隨后通過幾個(gè)不同的開發(fā)項(xiàng)目對(duì)AUTOSAR的實(shí)用性進(jìn)行了測(cè)試，現(xiàn)在AUTOSAR已經(jīng)做好進(jìn)入到產(chǎn)品ECU的準(zhǔn)備，而寶馬集團(tuán)已將符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的ECU（電子控制單元）應(yīng)用在全新BMW 7系量產(chǎn)車型中，預(yù)計(jì)在2010年AUTOSAR的所有核心成員都將推出相關(guān)的產(chǎn)品。在商業(yè)領(lǐng)域里，支持AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的工具和軟件供應(yīng)商已推出了相應(yīng)的工具和軟件，提供需求管理，系統(tǒng)描述，軟件構(gòu)件算法模型驗(yàn)證，軟件構(gòu)件算法建模，軟件構(gòu)件代碼生成，RTE生成，ECU配置以及基礎(chǔ)軟件和操作系統(tǒng)等服務(wù)，幫助OEM實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的AUTOSAR系統(tǒng)軟件架構(gòu)開發(fā)流程。目前AUTOSAR版本為3.1版，預(yù)計(jì)將于2009年秋季發(fā)布4.0版本。

　　 由于AUTOSAR提倡“在標(biāo)準(zhǔn)上合作，在實(shí)現(xiàn)上競(jìng)爭(zhēng)”的原則，其核心思想在于“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、分散實(shí)現(xiàn)、集中配置”，所以采用AUTOSAR將為OEM帶來很大的好處，這將使得他們對(duì)于軟件采購(gòu)和控制擁有更靈活和更大的權(quán)利，因?yàn)檐浖到y(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和開放化將使更多的軟件供應(yīng)商進(jìn)入汽車電子行業(yè)，從而使得他們有更多的選擇，同時(shí)軟件的質(zhì)量監(jiān)督也會(huì)相應(yīng)提高，有利于提高他們的產(chǎn)品質(zhì)量。但是，也必須看到在全行業(yè)內(nèi)推行此標(biāo)準(zhǔn)還是存在潛在障礙的，就是來自一些OEM廠商和大的第一級(jí)汽車供應(yīng)商的抵制，因?yàn)樗麄円呀?jīng)有自己的標(biāo)準(zhǔn)和架構(gòu)了，而采用AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)及其架構(gòu)可能產(chǎn)生更換成本、喪失控制等風(fēng)險(xiǎn)。盡管如此，汽車電子軟件開發(fā)方法和軟件架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化是汽車行業(yè)不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)，而且目前還沒有哪種標(biāo)準(zhǔn)比AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)走的更遠(yuǎn)。鑒于此，國(guó)內(nèi)汽車OEM必須做好應(yīng)對(duì)AUTOSAR的準(zhǔn)備，這對(duì)他們來說，是挑戰(zhàn)更是機(jī)遇。

　　在AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施過程中，OEM將起主導(dǎo)作用。OEM應(yīng)如何提出需求并在他們的產(chǎn)品上使用這些來自不同供應(yīng)商的具有標(biāo)準(zhǔn)功能和接口的軟件呢？AUTOSAR為此同時(shí)制定了方法上、流程上的標(biāo)準(zhǔn)，即AUTOSAR方法論。 本文將著重解讀AUTOSAR方法論內(nèi)容，講解OEM應(yīng)如何將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在他們的產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)過程中。

二、 AUTOSAR 技術(shù)概述

　　AUTOSAR的計(jì)劃目標(biāo)主要有3項(xiàng)，第一是建立獨(dú)立于硬件的分層的軟件架構(gòu)；第二是為實(shí)施應(yīng)用提供方法論，包括制定無(wú)縫的軟件架構(gòu)堆疊流程并將應(yīng)用軟件整合至ECU中；第三是制定各種車輛應(yīng)用接口規(guī)范，作為應(yīng)用軟件整合標(biāo)準(zhǔn)，以便軟件構(gòu)件在不同的汽車平臺(tái)上的復(fù)用。

　　1、AUTOSAR軟件架構(gòu)

　　為了實(shí)現(xiàn)AUTOSAR的目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和基礎(chǔ)模塊之間的分離，汽車電子軟件架構(gòu)被抽象成幾個(gè)層，如圖1所示。

圖1：AUTOSAR軟件架構(gòu)層次圖。

　　為了區(qū)別軟件依賴和硬件依賴，基礎(chǔ)軟件分為四個(gè)層次：服務(wù)層（Services Layer）、ECU抽象層（ECU Abstraction Layer）、微控制器抽象層（Microcontroller Abstraction Layer）和RTE（Runtime Environment）。除此四層外，在AUTOSAR軟件架構(gòu)中還有復(fù)雜驅(qū)動(dòng)（Complex Driver），由于對(duì)復(fù)雜傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行操作的模塊涉及到嚴(yán)格的時(shí)序問題，在AUTOSAR中這部分沒有被標(biāo)準(zhǔn)化。

* 服務(wù)層提供包括診斷協(xié)議、存儲(chǔ)管理、ECU模式管理和操作系統(tǒng)等在內(nèi)的系統(tǒng)服務(wù)。除了操作系統(tǒng)外，服務(wù)層的軟件模塊都是與平臺(tái)無(wú)關(guān)的。

* ECU抽象層將ECU結(jié)構(gòu)（如外設(shè)與ECU的聯(lián)接方式等）進(jìn)行了抽象處理。該層與ECU平臺(tái)相關(guān)，但與微控制器無(wú)關(guān)。

* 微控制器抽象層包括微控制器相關(guān)的驅(qū)動(dòng)（如I/O驅(qū)動(dòng)、ADC驅(qū)動(dòng)等）。

* RTE層負(fù)責(zé)AUTOSAR軟件構(gòu)件（即應(yīng)用層）相互間的通信以及軟件構(gòu)件與基礎(chǔ)軟件之間的通信。RTE層之下的基礎(chǔ)軟件對(duì)于應(yīng)用層來說是不可見的，必須通過RTE進(jìn)入，它將軟件構(gòu)件從對(duì)底層軟件和硬件平臺(tái)的依賴中獨(dú)立出來，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序和基礎(chǔ)軟件之間的分隔。2、 AUTOSAR方法論

　　AUTOSAR為符合該標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子軟件系統(tǒng)開發(fā)過程定義了一套通用的技術(shù)方法，這種方法即被稱為AUTOSAR方法論（AUTOSAR Methodology）。汽車OEM作為整車系統(tǒng)功能的規(guī)劃和設(shè)計(jì)者，需要了解并掌握AUTOSAR提供的這套開發(fā)流程，才能主導(dǎo)和推進(jìn)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)的開發(fā)過程。

　　兼容AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)流程如圖 2所示。

圖2：AUTOSAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)流程。

　　主要步驟可劃分兩個(gè)階段：

　　第一個(gè)階段是系統(tǒng)配置階段，這屬于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)決策工作。首先是編寫系統(tǒng)配置輸入文件，為XML類型的文件。應(yīng)用軟件的描述術(shù)語(yǔ)在AOTUSAR中為軟件構(gòu)件（Software Components），該文件將確定需要使用的軟件構(gòu)件（即系統(tǒng)具有哪些功能）和硬件資源（ECU），以及整個(gè)系統(tǒng)的約束條件。AUTOSAR提供了一系列的模板（軟件構(gòu)件模板，ECU資源模板和系統(tǒng)模板）和標(biāo)準(zhǔn)的信息交換格式，工具供應(yīng)商可據(jù)此提供相應(yīng)的工具支持，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作，最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只需要使用工具填充或編輯相應(yīng)的模板即可導(dǎo)出系統(tǒng)配置輸入文件。

　　系統(tǒng)配置輸入包含三部分內(nèi)容，第一個(gè)輸入是軟件構(gòu)件描述，定義每個(gè)需要的軟件構(gòu)件的接口內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)類型，端口，接口等；第二個(gè)輸入是ECU資源描述，定義了每個(gè)ECU的資源需求，如處理器、外部設(shè)備、存儲(chǔ)器、傳感器和執(zhí)行器等；第三個(gè)輸入是系統(tǒng)約束描述，定義總線信號(hào)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和軟件構(gòu)件的映射關(guān)系。

　　系統(tǒng)配置階段接下來的工作是將初步獲得的系統(tǒng)配置輸入文件借助系統(tǒng)配置生成器生成系統(tǒng)配置描述文件，同樣為XML文件，這是系統(tǒng)配置階段的最終工作成果。該文件將包含所有的系統(tǒng)信息，包括將軟件構(gòu)件映射到相關(guān)的ECU上（這種映射需要考慮到構(gòu)件的需要、構(gòu)件的連接、資源需求以及約束條件，有時(shí)也需要考慮成本等方面的因素），以及通信矩陣（整車的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、時(shí)序以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容）。

　　第二個(gè)階段是ECU的配置，這階段的工作需要對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)ECU分別進(jìn)行。首先是使用第一個(gè)階段的工作成果——系統(tǒng)配置描述文件，從中提取出與各個(gè)ECU相關(guān)的系統(tǒng)配置描述信息，提取的信息包括ECU通信矩陣、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、頂級(jí)功能組合（據(jù)此產(chǎn)生需映射到該ECU上的所有軟件構(gòu)件），將放在另一個(gè)XML文件中。提取信息的工作可借助工具完成。然后進(jìn)入ECU配置的實(shí)際工作中，這一步負(fù)責(zé)往輸入對(duì)象中添加具體應(yīng)用所必需的信息，如任務(wù)調(diào)度、必要的BSW模塊、BSW配置信息、給任務(wù)分配的可運(yùn)行實(shí)體等。這一步的結(jié)果被放在ECU 配置描述文件中，它包含了具體ECU所需的所有信息。最后一步是生成具體ECU的可執(zhí)行程序，此步將根據(jù)ECU 配置描述文件中的配置信息構(gòu)建完成ECU的基礎(chǔ)軟件的設(shè)置和與基于AUTOSAR構(gòu)件的應(yīng)用軟件的集成，最終生成ECU的可執(zhí)行代碼。

　　此外，要說明的是，AUTOSAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程使用了虛擬功能總線（Virtual Functional Bus）的概念。虛擬功能總線（Virtual Functional Bus）將AUTOSAR軟件構(gòu)件相互間的通信以及軟件構(gòu)件與基礎(chǔ)軟件之間的通信進(jìn)行了抽象，同時(shí)使用預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn)接口。而對(duì)于虛擬功能總線來說，ECU內(nèi)部通信和外部總線通信并沒有什么區(qū)別，這種區(qū)別要等到系統(tǒng)布局以及ECU的具體功能最終確定才會(huì)體現(xiàn)出來。軟件構(gòu)件本身對(duì)于這種區(qū)別并不關(guān)注，因此我們可以在獨(dú)立的情況下開發(fā)軟件構(gòu)件。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，虛擬功能總線所代表的功能最終以RTE的生成來體現(xiàn)。

　　3、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用接口

　　通過RTE實(shí)現(xiàn)AUTOSAR軟件構(gòu)件（即應(yīng)用程序）相互間的通信以及軟件構(gòu)件與基礎(chǔ)軟件之間的通信的前提是，軟件構(gòu)件必須具有標(biāo)準(zhǔn)的AUTOSAR接口。目前，AUTOSAR 3.1版已定義了一些典型的汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域（動(dòng)力，車身/舒適和底盤）的標(biāo)準(zhǔn)接口。AUTOSAR按照功能邏輯分別將這些領(lǐng)域的系統(tǒng)劃分成若干個(gè)模塊，這些模塊可被視為一個(gè)軟件構(gòu)件或多個(gè)軟件構(gòu)件的組合，這些功能性的軟件構(gòu)件的接口被明確定義，所定義的接口的內(nèi)容包括名稱，含義，范圍，數(shù)據(jù)類型，通信類型，單位等。應(yīng)用軟件開發(fā)者在軟件構(gòu)件的設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)需要應(yīng)用這些接口定義。

　　這里以車身/舒適系統(tǒng)的雨刷管理的軟件構(gòu)件的接口定義為示例，如圖3：

圖3：軟件構(gòu)件的接口定義。

　　說明：

　　雨刷管理構(gòu)件（WiperWasherManager）有兩個(gè)接口，CmdWashing 和StaWasher,圖中WWManager表示為雨刷管理軟件構(gòu)件的實(shí)例。針對(duì)CmdWashing接口定義了以下信息：

　　1) CmdWashing接口由WiperWasherManager構(gòu)件提供，其數(shù)據(jù)內(nèi)容為FrontWasher構(gòu)件的Activation接口所使用。

　　2）CmdWashing包含一個(gè)“Command”的數(shù)據(jù)元素。

　　3）“Command”的數(shù)據(jù)類型為“t_onoff”。

　　4）“t_onoff”屬于“RecordType”，該類型描述一般的開/關(guān)信息。

　　應(yīng)用軟件開發(fā)者應(yīng)該意識(shí)到，面向AUTOSAR運(yùn)行時(shí)環(huán)境（RTE）接口的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的重要性，及早地將AUTOSAR應(yīng)用層接口引入到實(shí)際的項(xiàng)目中來，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的可復(fù)用性做好準(zhǔn)備，從而優(yōu)化整個(gè)軟件開發(fā)流程。

三、 設(shè)計(jì)應(yīng)用與實(shí)施

　　仍以車身/舒適領(lǐng)域的外部車燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，在本例中只涉及轉(zhuǎn)向燈的閃爍控制功能的實(shí)現(xiàn)。

　　在系統(tǒng)配置階段，第一步是收集系統(tǒng)配置輸入內(nèi)容。首先收集實(shí)現(xiàn)該功能所需的軟件構(gòu)件，如圖4右部邊框所示，在本系統(tǒng)中共使用了5個(gè)軟件構(gòu)件，按照AUTOSAR提供的軟件構(gòu)件模板編寫每個(gè)軟件構(gòu)件的描述文件；然后明確系統(tǒng)中所用到的ECU資源，形成ECU資源描述文件，如圖4左上部邊框所示，這里有3類ECU；最后是系統(tǒng)約束條件的描述文件，描述系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。一般OEM需要提供軟件構(gòu)件描述和系統(tǒng)約束描述文件，以供零部件供應(yīng)商在ECU系統(tǒng)開發(fā)時(shí)使用。

圖4：系統(tǒng)配置輸入內(nèi)容。

　　以上描述文件的生成均有專門的工具（這類工具統(tǒng)稱為AUTOSAR描述文件編輯器）支持，用戶只需向工具中填充規(guī)定的內(nèi)容即可。

　　軟件構(gòu)件描述文件的生成，需要獲取每個(gè)軟件構(gòu)件的關(guān)于接口，行為，直接的硬件接口（I/O），運(yùn)行性能需求（內(nèi)存，功耗，定時(shí)等）等方面的信息；而軟件構(gòu)件描述文件本身將包含4部分內(nèi)容：

* 一般特性：名稱，生產(chǎn)商等

* 通信屬性：端口，接口

* 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：子構(gòu)件，連接關(guān)系

* 需要的硬件資源：處理時(shí)間，調(diào)度，內(nèi)存大小和類型等。

　　ECU資源描述文件生成之前，需要獲取每個(gè)ECU的關(guān)于傳感器和執(zhí)行器，硬件接口，硬件屬性（內(nèi)存，處理器，功耗），連接和帶寬等方面的信息；而ECU描述文件本身將包含7部分內(nèi)容：

* 一般特性：名稱，生產(chǎn)商等

* 溫度（自身，環(huán)境，冷卻/加熱）

* 可用的信號(hào)處理方法

* 可用的編程能力

* 可用的硬件：微控制器，架構(gòu)（如多處理器）；內(nèi)存，接口（CAN，LIN，MOST，F(xiàn)lexRay），外設(shè)（傳感器/執(zhí)行器），連接（如引腳數(shù)目）。

* RTE之下針對(duì)微控制器的基礎(chǔ)軟件模塊

* 從引腳到ECU抽象層的信號(hào)

　　系統(tǒng)約束描述文件生成之前，需要關(guān)于整個(gè)系統(tǒng)的信息，如總線系統(tǒng)，協(xié)議，通信矩陣和屬性，功能集群，功能部署（向ECU的分布）；而系統(tǒng)約束描述文件本身將包含3部分內(nèi)容：

* 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌嚎偩€（CAN，LIN，F(xiàn)lexRay），連接的ECU，網(wǎng)關(guān)，電源供應(yīng)

* 通信（針對(duì)每個(gè)通道）：通信矩陣，網(wǎng)關(guān)表

* 軟件構(gòu)件的映射

　　以上所描述的系統(tǒng)配置輸入內(nèi)容收集完整后，使用系統(tǒng)配置工具導(dǎo)出系統(tǒng)配置文件，這一步?jīng)Q定哪個(gè)軟件構(gòu)件運(yùn)行在哪塊ECU上，它生成ECU配置描述；此外還生成該系統(tǒng)內(nèi)的通信矩陣。如圖5所示。

圖5：系統(tǒng)配置結(jié)果。

　　以上工作完成后，接下來進(jìn)入ECU配置階段。將每個(gè)ECU的配置信息從系統(tǒng)配置文件中提取出來，其內(nèi)容包括ECU通信矩陣、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、頂級(jí)功能組合（即需映射到該ECU上的所有軟件構(gòu)件的組合）。此外，還需要更具體的關(guān)于AUTOSAR的基礎(chǔ)軟件各主要部分的配置，如RTE的配置，OS的配置，MCAL（微控制器抽象層）的配置和通信協(xié)議棧配置等。這些軟件部件的配置目前均有相應(yīng)的工具支持，直接生成可編譯的頭文件以供ECU系統(tǒng)軟件的集成使用。在生成ECU可執(zhí)行程序之前，需獲得相關(guān)軟件構(gòu)件和基礎(chǔ)軟件的代碼，然后與上述基礎(chǔ)軟件的配置頭文件進(jìn)行連編，最后生成ECU的可執(zhí)行程序。如圖6所示。

圖6：ECU的配置與可執(zhí)行程序的生成。

　　綜上所述，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)流程可用圖7表示，這里要注意的是，該過程可能需要多次迭代修改，以達(dá)到最優(yōu)。

圖7：系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)流程。

四、總結(jié)

　　AUTOSAR正在成為現(xiàn)實(shí)，建立這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)并貫徹標(biāo)準(zhǔn)化，將會(huì)縮短新產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間和測(cè)試時(shí)間，從而幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速的市場(chǎng)反應(yīng)。許多OEM都計(jì)劃在接下來的車型中采用AUTOSAR。在市場(chǎng)上不少工具和軟件供應(yīng)商都已推出了符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的工具或軟件支撐，可為AUTOSAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供完整的無(wú)縫的解決方案。

　　AUTOSAR是汽車電子軟件平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化的歷程中的一個(gè)巨大飛躍，我們需要學(xué)習(xí)和理解它。但是也必須看到，在整個(gè)汽車行內(nèi)打破傳統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)需要相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)過程。我們可以根據(jù)用戶的需求和目標(biāo)，在初期搭建AUTOSAR與傳統(tǒng)軟件的混合平臺(tái)，這是是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)向AUTOSAR平滑升級(jí)的可行的方法。在這個(gè)過程里，重點(diǎn)不是單純地使用，理解AUTOSAR的理念和思想才最重要，因?yàn)樗鼘?duì)汽車電子軟件開發(fā)的工作流程和商業(yè)模式都將帶來意義深遠(yuǎn)的變革。

　　參考文獻(xiàn)

1、 AUTOSAR SPECIFICATIONS Release3.1：AUTOSAR官網(wǎng)發(fā)布的規(guī)范文件

2、 《03_AUTOSAR_Tutorial.pdf》：AUTOSAR官網(wǎng)文件