以太网的分层架构_汽车E/E电子架构的进化和改革

当今汽车上多达数以百计的ECU（电子控制单元），MCU（微控制处理器单元）及其上面运行着的大量的嵌入式软件代码，以及复杂的CAN、FlexRay等整车通讯网络注定了汽车不同于其他的IOT设备或智能手机。汽车上的电子电气架构一直在朝着为智能化和体验服务的方向在演化和迭代，只是这个过程相比消费电子行业需要更长的时间。

博世2017年在德国的一个汽车行业会议上分享了其在整车电子电气架构方面的战略图。整车电子电气架构的发展被分为了6个阶段：模块化阶段（一个功能一个ECU硬件），功能集成阶段，中央域控制器阶段，跨域融合阶段，车载中央电脑和区域控制器，车载云计算阶段。

目前汽车电子架构尚处于功能集成阶段，而新兴的造车企业（如Telsa）及传统车企重点投入的一些未来车型的研发则有陆续采用更先进的整车电子电气架构，比如智能驾驶域控制器。

大众汽车也宣布了计划通过将其现有汽车搭载来自200个不同供应商的70个ECU“减少到三台中央车载电脑”来减少整车软件的复杂性，从而为智能化控制提供基础。

Vector也在在ATZ电子杂志发表了关于汽车电子电气架构发展趋势的预测以及软件和功能安全方面特点的介绍。汽车电子电气架构发展的三个阶段：以控制器为中心的阶段、域控制器阶段、中央计算机阶段。

欧盟发布电子/电气架构的特点：集中式CAN网络。

大陆电子发布的未来E/E架构概念：分布式E/E系统架构。

从上面几个Tier1或者行业巨头的布局规划分析，汽车E/E架构正在面临升级或者说改革。未来汽车电子电器架构的发展和车辆网V2X、IT应用、智能化密不可分。

信息技术和消费电子技术的快速发展和技术积累将会向汽车领域倾斜。这些技术的应用和汽车工业的接收需要时间来适应。这就带来了汽车电子架构的迅速变化。我们不难看到，能源效率正在推动传统动力系统向高压混合动力和电动发动机发展。自动驾驶对分散于功能隔离的控制单元的多传感器提出了融合的要求。网络连接和信息娱乐已经把汽车变成了一个分布式的IT系统：可以访问云，OTA升级，高速接入地图服务、多媒体内容、与其他交通工具和周边基础设施交互。

人工智能和数字化云服务正在创造新的发展机会，汽车将成为网络世界的一部分，未来汽车将不仅仅是一个出行工具，在为用户提供信息和娱乐的新的可能性的同时，还将提高舒适性和辅助功能的自动化程度，向自动驾驶汽车的方向发展。

这些发展创新需要电子半导体、软件和通信能力的更快增长。物理结构和功能电子电气架构都将是适应日益复杂的系统的关键。软件质量、远程软件更新、不同厂商软件的集成、内部软件开发和安全性，以及更高的数据速率、对各种数据格式的支持、网关概念、故障操作支持和能源效率，都将成为关键的成功因素。

特斯拉的一篇报道中提到，来自数字世界的玩家（例如，谷歌、苹果等）正在向汽车用户展示可能适用于汽车领域的机会和解决方案。

这种解决方案是面向服务的架构（SOA），包括操作系统（例如，苹果的iOS）。这种方法允许开发人员创建高效的新功能（应用程序），这些功能可以很容易地集成到设备的整个生态系统中（例如，iPhone）。这种新功能的无缝集成可以帮助为每个用户提供个性化。此外，远程更新支持功能优化、质量改进和灵活的生命周期管理。其他的机会来自已经在信息技术中使用的高性能处理器，以及清晰的设计模式，如层次结构和可伸缩性。

高性能处理器使能更高程度的集成

高性能消费电子处理器正在汽车电子架构中使能新的集成平台。这些处理器的使用为汽车领域引入了强大的操作系统——例如，Linux(参见图1)。

图1，消费电子领域的高性能处理器将为汽车电子架构使能新的集成平台

GENIVI联盟正在建立一个软件架构标准，包括一个操作系统。在不久的将来，其他应用（例如自动驾驶）的ECU将需要这样的软件架构。此外，AUTOSAR标准将得到增强，使用POSIX标准创建AUTOSAR自适应平台（AUTOSAR Adaptive Platform）。这些新技术将使得我们能够用新的方式去设计汽车电子架构。

无缝的分层架构

到目前为止，E/E架构的设计大多采用渐进的方式，重点放在局部解决方案上。这意味着四件事:

1. 功能的划分集中在计算能力可用的地方

2. 项目特定的和异构的开发方法在各个E/E开发领域中是常见的

3. 所有ECU都遵循OEM的通用系统需求，这常常导致ECU的过度设计

4. 由于职责和目标严格分离，ECU的发展集中在ECU的本地优化。

为了解决这些问题，宝马为下一代汽车的设计创建了一个分层的E/E架构（见图2）。具有以下几个优点：

1. ECU分类是基于需求的

2. 适用于每类ECU的统一开发方法替代了本地开发方法

3. 每类ECU都有特定的系统需求

4. 系统级优化是主要关注点，由系统架构师驱动

图2，强大的集成平台为汽车领域提供了无缝的分层的电子电气架构

在这个体系结构中，中央计算平台（图2的顶层，第1类）划分主要的软件功能，这些功能主要在内部开发。这些平台提供高性能，并满足最高的安全要求。集成ECU（第2类）填充了中央计算平台和普通ECU（第3类）之间的差距——例如，部署需要直接访问传感器或执行器的时间关键功能。对于简单和非特定于OEM的功能，可以接受普通ECU和传感器和执行器（第4类）。理想情况下，这些ECU、传感器和执行器基于常见的OEM或者一级供应商的零件。

一个可伸缩的架构

当今的网络架构的开发，部分是以增加变种和复杂性为代价的。设计模式通常基于发送方和接收方之间的通信，这常常导致了高依赖性和有限的可扩展性。

对于下一代网络架构，中央通信服务器（CCS）将支持封装，以便在本地处理可扩展性。这些架构将具有以下主要特性（参见图3）：

1. 中央信息服务器和代理将处理所有网络架构信息

2. E/E架构将被封装，以较小变化支持从基础版到全功能版本的所有车辆

3. 网络架构通信将是结构化和层次化的

4. 信息在诸如LIN、CAN、FlexRay、以太网以及发展中的V2V无线协议之间的转换是流动的物理节点、信息和服务等级将是独立的，包括防火墙功能

图3，中央通信服务器将支持可伸缩的E/E架构

在系统级别，CCS将为物理拓扑和逻辑拓扑提供优化的可能性。例如，在物理级别上，可以用CCS的高性能路由引擎替换子网关。对于逻辑级别的优化，CCS可以解耦发送方和接收方之间的依赖关系，并为逐步引入SOA打下基础。

面向服务的架构

汽车功能需要与IT和消费电子行业的功能具有相同的创新水平。由于人们对汽车的依赖性越来越大，汽车的功能也变得越来越复杂。一个例子就是从简单的巡航控制，到自适应巡航控制，再到自动驾驶的演变。今天，系统的功能视图是基于信号的。功能的划分受到遗留系统、ECU资源和开发系统的组织架构的显著影响。只关注于ECU级别不足以掌握复杂性。

因此，我们在BMW为下一代E/E架构引入了基于SOA的方案（见图4）。SOA方案为整个系统提供了重要的服务抽象。严谨的封装和分层结构支持使用敏捷开发方法和针对接口进行测试，并降低了系统的复杂性。将大大简化软件组件在车辆更新换代时的重用。

图4，面向服务的架构将帮助BMW掌握日益复杂的E/E功能网络

车内和云端架构

车内E/E架构和云端架构越来越接近。越来越多的汽车功能与云端交换数据或部分功能运行在云端。因此，功能分离、编码和防火墙等方面变得越来越重要。这些安全模式已经存在于信息技术和消费电子行业，并且可以转移到汽车领域。

车内网络和后端之间的连接非常重要。主要方面有：

1. LTE、Wi-Fi和未来5G等通信标准

2. 提供优质服务

3. 足够的带宽及可用性

云端为各种应用程序提供了基础。功能可以在那里执行（例如，自动驾驶或多媒体）。可以通过云端为司机提供移动服务。可以对从汽车传输到云端的信息进行分析。

车内和云端架构的无缝结合，以及前面提到的构建块（CCS、SOA和分层的E/E体系结构），将成为使我们的E/E基础设施能够处理即将到来的创新的重要一步。图5显示了可以在ECU或云端执行的功能的总体系统结构和软件设计。

图5，从车内和云端架构的总体角度来看，安全性和隐私等机制必须同时处理这两种架构，才能提供无缝的功能。AF =自动驾驶功能，CD =人群数据

车内和云端架构的无缝设计和文档是关键的成功因素。这包括数据处理、远程更新和为能够在ECU或云端执行的功能的软件设计。我们将在下一节中讨论这些方面。

流程、方法和工具的改变

目前，整个E/E开发过程使用了许多不同的方法和工具。通常来说，软件项目中的每个部门都有自己的设计原则、工作流和工具。将来，IT行业设计E/E架构的最先进的方法和工具将消除当前异构的情况，创建一个更加同构的开发环境。图6显示了当前和未来的状态。这一技术进步将提供：

1. 从客户交互到软件架构的无缝需求过程

2. 基于SOA的E/E架构的无缝、完整建模

3. 使用SOA设计原则封装分布式开发的内容

4. 启动敏捷开发流程、联合Scrum团队和共享代码存储库

5. 持续集成和早期使用虚拟集成方法

图6，汽车电子的发展(a)今天和(b)未来。

车内和云端架构的无缝设计和文档是关键的成功因素。ADD=架构设计文档，B&C =车身和舒适性，DA&S =驾驶员辅助和安全，HIL =硬件在环，I&C=信息和通信，P&C =动力总成和底盘，SIL =软件在环数字化和互联互通改变着用户的期望，如功能的远程无缝更新，新的市场参与者（比如特斯拉），以及制定新法规的必要性（比如有关自动驾驶责任的法律）。

汽车电子的发展将从信息技术和消费电子标准中受益，但必须重新发明许多技术，以满足严格的需求。汽车电子系统还将与传统的软件系统有所不同。对安全性、性能、可用性和信息安全的需求导致了对熟练程度和质量的最高期望，而这在消费类电子产品中并不被认为是必要的。聪明的采用和适应信息技术和消费电子方法和技术将带来许多机会，同时避免削弱传统软件系统的陷阱。