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汽车电子电气架构 --- 新趋势下的挑战与技术

我是穿拖鞋的汉子,魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师。

老规矩,分享一段喜欢的文字,避免自己成为高知识低文化的工程师:

做到欲望极简,了解自己的真实欲望,不受外在潮流的影响,不盲从,不跟风。把自己的精力全部用在自己。一是去掉多余,凡事找规律,基础是诚信;二是系统思考、大胆设计、小心求证;三是“一张纸制度”,也就是无论多么复杂的工作内容,要在一张纸上描述清楚;四是要坚决反对虎头蛇尾,反对繁文缛节,反对老好人主义。

不觉间来到九月,横坐在电脑前,敲击点文字,对自己也算一个时间的记忆,多年后再次点击,也期待那时会像触发记忆的闸口,让现在的这点岁月传递至那时那刻。

在这里插入图片描述

一、背景信息

近年来,车辆电气和/或电子架构(E/E架构)发生了显著演变。新一代汽车由于搭载了大量安全关键型应用和驾驶辅助功能,对计算能力提出了极高要求。因此,需要高性能计算单元来提供所需算力并处理这些应用,在此背景下,车辆架构正朝着集中式架构方向发展。与此同时,还需定义合适的软件架构,以满足主计算单元的功能需求和功能安全要求。然而,在满足安全要求和优化目标的前提下,将关键应用配置并集成到车辆中央计算机中,是一个耗时、复杂且容易出错的过程。本文首先介绍了车辆架构的过去、现在和未来的演变历程,以及当前存在的瓶颈和未来的关键技术。随后,探讨了汽车系统软件配置与映射所面临的挑战。基于此,研究了使用设计空间探索方法将任务映射到多核处理器的映射技术及优化目标。此外,还阐述了当前与车辆架构综合相关的技术与框架、针对软件集成与配置的模型分析,以及解决汽车嵌入式系统映射问题的方法。最后,我们提出了四个研究问题,作为该领域未来研究的方向。

如今,汽车所需应用的复杂性和类型大幅增加,这尤其得益于先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶功能的出现。此外,在设计和配置汽车软件架构时,要满足所有非安全要求和安全要求,并符合汽车标准(即ISO 26262和预期功能安全(SOTIF)),这进一步增加了复杂性。因此,鉴于上述由集成到汽车中的新应用和功能以及传统电气/电子(E/E)架构的局限性所带来的复杂性,汽车E/E架构近期一直在演变。汽车E/E架构最初采用分布式/分散式架构,其中大量电子控制单元(ECU)相互连接,每个ECU都有特定的车辆功能。随后,架构演进至域集中式,即采用集中式域控制器;再到集中式/区域式,即车辆架构采用区域控制器架构[3]。

考虑到ADAS和自动驾驶应用,使用特定域的ECU会导致ECU数量增加、线束大幅增长、通信带宽增大、成本上升、软件变体增多以及软件复杂度提高。因此,多核ECU可被视为一种解决方案,以减少ECU数量、降低成本、缩短线束长度,并降低软件的复杂性和变体数量。此外,多核技术已在嵌入式系统的不同领域迅速扩展,通过提供可扩展的计算能力,为基于人工智能(AI)的应用和系统提供合适的性能[4]。

使用ADAS功能和算法设计汽车E/E架构,涵盖其所有安全和非安全关键要求,是一项复杂且耗时的任务,需要特定领域的知识。此外,由于与硬件、应用、操作系统(OS)、中间件、虚拟机管理程序等相关的要求和属性众多,在满足所有安全要求的同时,手动集成和配置汽车高性能中央计算机的软件架构是一项具有挑战性且容易出错的任务。通过确定功耗、资源利用率、可靠性、温度等各种优化目标,此类配置也可以得到优化。因此,在设计阶段采用能够自动化软件配置过程的方法/工具,同时考虑所有要求和属性,可以应对日益增长的复杂性,并促进和改进以汽车高性能计算单元(HPCU)上的软件组件建模和映射为重点的设计过程。

二、基本概念

车辆电气/电子(E/E)架构对E/E系统开发的几乎所有方面都有影响,包括技术方法、明确的需求、设计结构决策以及开发方法。可以从多个视角看待车辆架构。物理视角展示了汽车中所用元件(如电子控制单元(ECU)、传感器、执行器、网关、电源和开关)的定位和连接方式。此外,它还包括通信网络、线束布置和电源分配设置。此外,随着过去十年汽车自动化程度的不断提高,汽车软件在车辆E/E架构中发挥着关键作用。

E/E架构的另一个视角是逻辑视角,该视角聚焦于集成到汽车中的各种组件和元件之间的交互与互连。基于这一观点,E/E架构可被解读为涉及数据交换、信号流以及通信和接口协议。

近年来,驾驶自动化水平不断提高,许多公司投入了大量精力和成本,致力于实现自动驾驶汽车。这使得车辆不仅能够提供非关


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