汽車(chē)架構(gòu)變化趨勢(shì)有哪些

汽車(chē)架構(gòu)變化趨勢(shì)

在分享中央計(jì)算軟件架構(gòu)之前，我們先簡(jiǎn)單說(shuō)明一下汽車(chē)架構(gòu)變化趨勢(shì)，總的來(lái)說(shuō)，主要包含以下階段： 分布式架構(gòu)：ECU 數(shù)量超過(guò) 100 個(gè)以上，每個(gè) ECU 承擔(dān)相對(duì)獨(dú)立的功能系統(tǒng)。持續(xù)維護(hù)數(shù)量日益增加的 ECU 變得越發(fā)復(fù)雜和費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 功能域架構(gòu)：域功能合并后，一方面可以減少 ECU 數(shù)量（縮減芯片和外殼的總體成本）。另一方面，軟件應(yīng)用集中化部署后有利于軟件功能升級(jí)和管理。然而，要實(shí)現(xiàn)跨域功能的交互，系統(tǒng)設(shè)計(jì)依然繁瑣且沒(méi)有效率。 中央計(jì)算+區(qū)域控制架構(gòu)：功能邏輯上移到中央計(jì)算，區(qū)域控制器控制數(shù)據(jù)和配電。實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的解耦，便于軟件快速迭代。

圖-汽車(chē)架構(gòu)變化趨勢(shì) 中央計(jì)算+區(qū)域控制架構(gòu)的核心是分布式計(jì)算系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（RPC）實(shí)現(xiàn)各個(gè)主機(jī)之間的資源和算力共享。區(qū)域控制器掌握的是該區(qū)域的控制器與傳感器的硬件資源，以及一定的算力處理邊緣計(jì)算。 而中央計(jì)算集群擁有高性能計(jì)算能力，圖像資源采集，以及接入云端資源的能力。它們之間需要交互才能創(chuàng)造出新的用戶體驗(yàn)和使用場(chǎng)景，為支持這種分布式計(jì)算系統(tǒng)，就需要一套強(qiáng)大的 RPC 機(jī)制：

互聯(lián)網(wǎng)行業(yè) RPC 框架 - 應(yīng)用級(jí)的服務(wù)框架： Dubbo/Dubbox、Google gRPC、Spring Boot/Spring Cloud - 遠(yuǎn)程通信協(xié)議： RMI、Socket、SOAP(HTTP XML)、REST(HTTP JSON)

車(chē)內(nèi)中央計(jì)算+區(qū)域控制RPC框架 - 應(yīng)用級(jí)的服務(wù)框架： 具代表性的如大眾 VW.OS，國(guó)內(nèi)外整車(chē)廠都已經(jīng)開(kāi)始了應(yīng)用級(jí)服務(wù)框架的定義和設(shè)計(jì)。 - 遠(yuǎn)程通信協(xié)議： SOME/IP,DDS,REST,MQTT等輕量級(jí)通信協(xié)議 其中 SOME/IP 是專門(mén)為車(chē)載領(lǐng)域設(shè)計(jì)的基于服務(wù)的 RPC 通信協(xié)議，其他幾種協(xié)議在其他行業(yè)已運(yùn)用。

圖 - RPC通信概覽 上圖出現(xiàn)的 Client, Server 是 RPC 通信的基本元素。一個(gè)完整的 RPC 框架，包含了服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)傳輸、序列化等組件，其中“RPC 協(xié)議”就指明了程序如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸和序列化。

圖 - 完整RPC框架 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)文檔中包含了多個(gè) SOME/IP 相關(guān)的文檔。它們是：

SOME/IP Protocol 1.SOME/IP on wire-format (Serialization)： -Structure of Header Format -How the different data types are serialized as per SOME/IP 2.Protocol for Event and RPC-based communication -Transport Protocol（同時(shí)支持UPD和TCP） -Rules that govern the RPC for SOME/IP

SOME/IP Service Discovery（SD） 1. 定位服務(wù)實(shí)例： 2.檢測(cè)服務(wù)實(shí)例是否在運(yùn)行（即服務(wù)實(shí)例的狀態(tài)） 3.發(fā)布/訂閱行為的管理

SOME/IP Transport Protocal（TP） - 對(duì)長(zhǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流控制：

SOME/IP Transformation -填充 SOME/IP Header 和 Payload 的規(guī)則

下圖中SOME/IP Demon管理服務(wù)的注冊(cè)，服務(wù)的通信建立和轉(zhuǎn)發(fā)。

圖- SOME/IP RPC框架

中央計(jì)算架構(gòu)代理的挑戰(zhàn)

混合算力要求

在自動(dòng)駕駛和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)需求下，對(duì)中央計(jì)算算力提出更高的要求，同時(shí)傳統(tǒng)的車(chē)身，底盤(pán)，動(dòng)力等功能上移，也需要中央計(jì)算單元具有實(shí)時(shí)安全計(jì)算的能力。 以下是推功能算力的估算

主動(dòng)安全與自動(dòng)駕駛

- NCAP & L2：大于20 TOPS - Auto-Pilot: 大于40 TOPS - RoboTaxi: 大于200 TOPS

車(chē)身控制，底盤(pán)，動(dòng)力域總和： - 大于10000 DMIPS

核間高速通信

以下場(chǎng)景使得對(duì)核間的數(shù)據(jù)通信需求增加，為核間高速通信，可靠通信提出了要求。

主動(dòng)安全與自動(dòng)駕駛：龐大的視覺(jué)及雷達(dá)數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)收集，log & Trace 數(shù)據(jù)

信號(hào)與服務(wù)的轉(zhuǎn)換

功能分配

功能組件分布部署在中央計(jì)算集群以及區(qū)域控制器上，對(duì)以下方面提出要求。

功能合理部署

提高組件復(fù)用性

優(yōu)化組件的相互調(diào)用

中央計(jì)算單元發(fā)展路徑

中央計(jì)算早期雛形

于2011 年，奧迪 A8就開(kāi)始了定位于 L3 系統(tǒng)的研發(fā)，其核心模塊 ZFAS雖然是自動(dòng)駕駛控制器，但也可以認(rèn)為它是中央計(jì)算的早期雛形。它是異構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)，包含MobiEye EyeQ3，NVIDIA K1, Cycline, Aurix.

圖- Audi ZFAS 在這樣一個(gè)典型的異構(gòu)系統(tǒng)中，處理器之間的通信是什么復(fù)雜的，其采用的主要技術(shù)有：

Deterministic 以太網(wǎng) – Time Trigger Ethernet

平臺(tái)軟件中間件 – MotionWise Middleware(Communication, Safety, TimeSync, Platform service)

圖- Audi ZFAS異構(gòu)系統(tǒng)概況

異構(gòu)系統(tǒng)的核間通信

異構(gòu)系統(tǒng)的核間通信是個(gè)難題，通常情況下會(huì)包含 MCU, GPU, FPGA, MPU 系統(tǒng)，在它們之間需要保證高性能的實(shí)時(shí)消息通信，并且要支持面向服務(wù)，以及核間互不干擾。 對(duì)于每個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)的操作系統(tǒng)，在它們之間應(yīng)設(shè)計(jì)高速核間消息通信的機(jī)制，以及通信式樣，典型的有Client-Server 通信式樣。

圖-異構(gòu)系統(tǒng)的核間通信

異構(gòu)系統(tǒng)操作系統(tǒng)

MCU 系統(tǒng)，常見(jiàn)的有多核 AutoSAR 軟件架構(gòu)，或者使用 MCU Hypervisor 方案。 GPU 系統(tǒng)，管道式的軟件架構(gòu)局多，采用 RTOS 之上運(yùn)行 Runtime, Library，Appliation 的方案。 MPU 系統(tǒng)，使用虛擬化方案運(yùn)行多個(gè) High Level OS，每個(gè) OS 之上運(yùn)行各自的中間件以及上層應(yīng)用軟件。

圖-異構(gòu)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)

異構(gòu)系統(tǒng)的將來(lái) - 單 SoC 系統(tǒng)

新硬件技術(shù)使得分離的芯片架構(gòu)可以集成到單獨(dú)芯片，實(shí)現(xiàn)“一顆芯片上的軟件架構(gòu)”。 單 SoC 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì):

在不同域和功能分區(qū)之間高效地共享高帶寬數(shù)據(jù)。

更好地利用車(chē)內(nèi)資源共享和設(shè)計(jì)功能回退機(jī)制

更有利于硬件抽象化設(shè)計(jì)

減少傳統(tǒng)單體系統(tǒng)的規(guī)模（高集成度，高復(fù)雜性地模塊）

硬件變種減少

減少暴露在外的通信總線，減少信息安全攻擊的路徑

縮小產(chǎn)品尺寸

圖- 異構(gòu)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向單SoC系統(tǒng)

混合關(guān)鍵系統(tǒng)

中央計(jì)算架構(gòu)的變化使得多種安全等級(jí)的應(yīng)用運(yùn)行在同一個(gè)系統(tǒng)中，特別是單 SoC 系統(tǒng)后，"混合關(guān)鍵性"額外的重要。 “混合關(guān)鍵系統(tǒng)”應(yīng)允許在同一高性能處理器上并行托管 1 個(gè)或多個(gè)安全關(guān)鍵性功能/系統(tǒng)，以及其他不受控制甚至是惡意的功能/系統(tǒng)，但絕不會(huì)對(duì)該安全關(guān)鍵性功能/系統(tǒng)產(chǎn)生任何負(fù)面影響 。 例如娛樂(lè)系統(tǒng)中通常會(huì)允許安裝用戶自定義應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序?qū)⒊蔀轱L(fēng)險(xiǎn)的來(lái)源。通常的對(duì)策是讓這些應(yīng)用運(yùn)行在容器定義的沙盒環(huán)境中，對(duì)這些應(yīng)用程序僅開(kāi)放受限制的訪問(wèn)權(quán)限。

圖-混合關(guān)鍵系統(tǒng) 在功能安全軟件需求的章節(jié)中有提到，不同 Safety Level SWC 組件Co-existence和 Freedom from interference 的問(wèn)題。 下圖舉例說(shuō)明了 Interference 的干擾源，及做到 Freedom from interfence 相對(duì)應(yīng)的措施。

圖-干擾源及應(yīng)對(duì)措施

中央計(jì)算單元功能分配

對(duì)于單 SoC 方案的中央計(jì)算單元，它具備以下能力，這些能力可以指導(dǎo)布局應(yīng)用功能。

將 ASIL-B 到 ASIL-D，具備 FuSa 要求的 SWC，以及 QM 的軟件組件部署在同一個(gè) SoC 系統(tǒng)之上。

核間通信 IPC -信好與服務(wù)的轉(zhuǎn)換

- 數(shù)據(jù)收集(Log & Trace) - 其他各類數(shù)據(jù)交換(OTA, IDS...)

擁有視覺(jué)處理能力, 支持 OpenVX, 流水線處理, 圖像并行處理

集成R核 MCU 后，擁有快速應(yīng)用啟動(dòng)功能，支持集成車(chē)身，網(wǎng)關(guān)等功能

A 核可以部署和人機(jī)界面，多媒體，互聯(lián)等相關(guān)的應(yīng)用

圖-中央計(jì)算單元的功能分配

應(yīng)用示例

在中央計(jì)算+區(qū)域控制的架構(gòu)中，有兩種不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格體現(xiàn)，一個(gè)是基于服務(wù)的式樣，另一就是基于信號(hào)的式樣。 現(xiàn)階段傳統(tǒng)的執(zhí)行器與傳感器仍是基于 CAN/LIN 信號(hào)的設(shè)計(jì)的，而中央計(jì)算單元已可以依照基于服務(wù)的式樣設(shè)計(jì)。這兩種不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格由區(qū)域控制器完成基于信號(hào)的世界與基于服務(wù)的世界轉(zhuǎn)換。 以下應(yīng)用示例涵蓋了中央計(jì)算單元，區(qū)域控制器，執(zhí)行傳感器的互動(dòng)過(guò)程。 示例需求描述:

當(dāng)啟停開(kāi)關(guān)按下后，車(chē)輛電源模式切換到 ON 檔。

當(dāng)車(chē)速大于 5km/h，則執(zhí)行車(chē)輛上鎖。

整個(gè)執(zhí)行過(guò)程如下：

區(qū)域控制器直接采集啟停開(kāi)關(guān)，同時(shí)通過(guò) CAN 通信收集車(chē)速信號(hào)

區(qū)域控制器完成信號(hào)至服務(wù)的轉(zhuǎn)換，以服務(wù)的內(nèi)容提供給中央計(jì)算單元，之間通過(guò)以太網(wǎng)通信。

中央計(jì)算之內(nèi)的應(yīng)用之間的接口也是以服務(wù)方式通信，采用操作系統(tǒng)系統(tǒng)的 Local IPC 機(jī)制，如 Local Unit Socket。

經(jīng)由上次邏輯處理后，再調(diào)用某區(qū)域控制器提供的服務(wù)，如上鎖操作。

最后區(qū)域控制器將上鎖指令轉(zhuǎn)換為 CAN 或者 LIN 的報(bào)文，由門(mén)模塊執(zhí)行上鎖的操作。

圖-中央計(jì)算與區(qū)域架構(gòu)應(yīng)用示例

責(zé)任編輯：彭菁