汽车电子系统软件开发新标准 - 范文中心

汽车电子系统软件开发新标准

03/05

第29卷第2期

VoL29.No.2

西华大学学报(自然科学版)

JournalofXihuaUniversity・NaturalScience

2010年3月

M”.20lO

文章编号:1673.159X(2010)02-0102-05

汽车电子系统软件开发新标准AUTOSAR

阴晓峰1,刘武东2

(1.西华大学汽车工程研究所,四川成都610039;2.雅安市机动车检测站,四川雅安625000)

摘要:分析了汽车电子系统软件开发新标准AUTOSAR技术,该技术由架构、方法学和应用接lYl组成,其中,AUTOSAR架构采用由应用软件组件(SW—Cs)、虚拟功能总线(VFB)/运行时环境(RTE)和电控单元基础软件(BSW)栈构成的分层结构;AUTOSAR方法学定义了由软、硬件组件的形式描述构建汽车电子系统架构的方法。对该标准l阶段和Il阶段的研究与应用进展进行r总结,对III阶段工作进行,展望,并对我国汽车电子相关企业实施AUTOSAR标准提出了建议。

关键词:汽车;电子系统;软件;标准;AUTosAR中图分类号:U46;TP319;TP271+.5

文献标识码:A

AUToSAR-aNewStandardofSoftwareDevelopmentfor

AutomotiveElectronicSystems

YINXiao.fen91,LIUWu.don92

(1.InstituteofAutomotiveEngineering,X0huaUniversity,Chengdu610039China;

2.Ya’an

MotorVehicleInspectionStation。Ya’art625000China)

Abstract:ThetechnologyofAutomotiveOpenSystemArchitecture(AUTOSAR),a

new

standardofsoftwaredevelopmentfor

an-

tomotiveelectronicsystems,whichconsistsofarchitecture,methodology

ture

andapplicationinterfaces,wasanalyzed.AUTOSARarchitec-

isdesignedwith

hierarchical

structureconsistingofapplicationsof|warecomponents(SW—Cs)。virtualfunctionalbus(VFB)/

to

mntimeenvironment(RTE),andbasicsoftware(8sw)stackofelectroniccontrolunit(ECU).AUTOSARmethodologyisused

constructthearchitectureofautomotiveelectronicsystemfromtheformaldesertptionofsoftwareandhardwarecomponents.Further-

more,theresearch

and

applicationprogressesinphaseI

and

11were

summarized,and

theoutlookof

phaseIllWasgiven.Inaddition,

was

proposalofintroductionofAUTOSARstandardintoautomotive

electronicsrelatedenterprisesinChinaputforward.

Keywords:automobile;electronicsystem;software;standard;AUTOSAR

前言

电子技术在提升汽车传统性能的同时亦拓展了

方案扩展、以及系统质量和可靠性提高的要求,将逐渐为功能驱动的、面向架构集成的开发模式所取代。为使国内汽车电子系统研发人员对这一发展趋势有较为全面的了解,本文分析了汽车电子系统软件开发的新标准一AUTOSAR(AUTomotive

ARchitecture

OpenSystem

其功能,从实现汽车基本功能的子系统到车载信息娱乐装置,电子技术在汽车上的应用几乎无处不在。但是,电子装备的增多也使汽车电子系统的复杂度呈指数增长【I引。如何有效管理日趋复杂的汽车电子系统、并最大限度地降低开发和维护成本,已成为全球汽车电子相关企业共同面临的技术难题。目前,传统的电控单元(Electronic

Control

DI,汽车开放系统架构)技术,总结了

其阶段进展,并对我国实施AUTOSAR标准提出了一些建议。1

Unit,ECU)

AUTOSAR技术

AUTOSAR的具体目标是实现:(1)基础系统功

驱动的开发模式,已难以适应汽车电子系统复杂性管理、产品灵活修改、升级和更新、产品线内外解决

能作为OEM的“标准核”方案实施并标准化;(2)在

收稿日期:2010-01-26

基金项目:教育部留学同围人员科研启动基金项目

作者简介:阴晓蜂(1972-),男,四川内江入,教授,博士,主要研究方向为汽车传动控制、汽车嵌入式软件及车用网络技术。

万方数据 

第2期阴晓峰等:汽车电子系统软件开发新标准AUTOSAR

103

不同车辆及平台变型上的可扩展性;(3)在整个网络范围内的功能可转移性;(4)多供应商功能模块的集成;(5)可用性及安全性需求;(6)冗余激活;(7)整个产品生命周期的可维护性;(8)增加使用可现货供应(COTS)的硬件;(9)车辆生命期内的软件更新和升级。为实现上述目标,AUToSAR技术包含了三个方面的内容:架构(Architecture)、应用接口(ApplicationInterfaces)和方法学(Methodology)。

1.1

AUTOSAR架构

AUTOSAR的基本设计概念是实现应用/功能

软件组件(SW-Cs)与基础软件(BSW)的隔离(进而独立于底层硬件)。AUTOSAR架构如图l【41所示,该架构划分为三个大的层次:顶层为应用层(Appli.

cation

Layer),是相互交互的应用/功能软件组件的

集合;底层为微控制器(Microcontroller)硬件;中间层由AUTOSAR运行时环境(RTE)和一套完整的被称为AUTOSARBSW的ECU基础/环境软件栈组成,作为独立于硬件的应用软件集成平台。

图1

AUTOSAR架构

每个AUTOSARSW.C封装了某一具体应用的部分或全部功能,并具有“原子”性,即不能分割至多个ECU。SW-C的实现独立于其所在的微控制器和ECU类型、与其交互的SW-C(S)的具体位置、以及其在一个系统或ECU中被实例化的次数。此外,作为特殊的SW—Cs,传感器/执行机构软件组件则封在AUTOSAR架构中,SW.Cs相对于底层硬件的独立性是通过虚拟功能总线(VFB)来实现的。在系统设计层次,RTE作ECU内外部信息交换的中心,无论通信是发生在ECU之间(如通过万 

方数据部,RTE均通过提供一致的接口和服务来实现SW.Cs之间的通信抽象。由于RTE之上的SW—Cs的通信需求依赖于具体应用,RTE具有可裁剪性,其最终实现会因ECU的不同而有所差异。

BSW位于RTE之下,向SW.Cs提供服务以协助其完成软件的功能部分。BSW由标准组件(如OS、系统服务、通信栈、微控制器抽象层等)和ECU特定组件(ECU抽象及复杂设备驱动)组成。BSW栈的设计采用了逐层抽象的策略,从上到下可分为服务、ECU抽象和微控制器抽象三个层次(复杂设备驱动除外)。如图2所示的内存服务栈,由内存服务层图2内存服务栈示例

(非易失内存管理器)、内

存硬件抽象层(内存硬件接口、EEPROM抽象和外部EEPROM驱动)和硬件驱动层构成,每一层均向其上层软件组件屏蔽了其下层的实现细节,以提高BSW组件的可重用性。

1.2

AUToSAR方法学

AUTOSAR还定义了一套由软、硬件组件的形

式描述(FormalDescription)来构建汽车电子系统架构的方法学,如图3所示。该方法学主要涉及各种系统描述信息、系统设计一实施过程、元模型(Meta—model)和支撑工具等方面的内容”J。

系统描述信息采用标准化的数据交换格式进行描述,包括SW.C、ECU资源、系统约束、系统配置和ECU配置五类描述,前三者是AUTOSAR方法学的输入,后两者则是支持AUTOSAR方法学的中间信息。SW.C描述与硬件独立,包括一般信息(如名内部结构(子组件及连接)、以及需求的硬件资源(处理时间、调度策略及内存)等。以SW—C描述为口进行“虚拟”验证。ECU资源描述则独立于具体的应用软件,包括一般信息、温度(自身及环境)、可称、制造商等)、通信特性(请求/提供端口、接口)、输入,VFB可在软件实现之前对所有应用组件和接用信号处理方法及编程能力、可用硬件(如微控制器架构、内存、通信接口、外围传感器/执行机构、引

脚数等)、RTE之下的微控制器软件、以及从引脚至

装了应用对特定传感器/执行机构的依赖性。

VFB作为SW—Cs之间互联的抽象,其功能由定义良好的通信模式提供,支持客户/Jll爰务器(C/S)和发送者/接收者(S/R)两种通信模式。VFB由图1所示架构中的RTE及其下的BSW共同实现。

CAN、LIN、FlexRay、MOST等网络)、还是在ECU内

西华大学学报・自然科学版

2010矩

ECU抽象层的路径等。系统约束描述包括网络拓扑(总线系统、连接的ECU和网关、电源及系统激活)、每一通道的通信描述(通信矩阵和网关表)、SW-Cs映射/群集等。系统配置描述是在综合考虑各SW—Cs及其通信连接、ECU资源、系统约束和其它产品线相关因素(如成本等)的前提下,对系统级

组件(向各ECU)映射及包括所有网络帧的时间特性和内容的完整的通信矩阵的描述。ECU配置描述则包含了可由该描述(RTE配置、OS配置、BSW配置、SW.Cs实现列表等)和映射至该ECU上的SW.Cs代码生成可在该ECU上运行的软件的所有信息。

谂◆逼乡◆

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图3

AUTOSAR方法学

AUTOSAR系统设计一实施过程如图4所示,分为四个步骤。第一步由应用需求及车辆信息并行创建SW—C、ECU资源及系统约束描述;第二步在三类描述的基础上配置系统并生成ECU描述摘录;第三步为每个ECU的基础软件(如RTE、OS、通信栈等)生成需要的配置;第四步由ECU基础软件配置、SW—Cs和AUTOSAR库(图中未匦出)为每个ECU生成可执行软件。

AUTOSAR元模型是AUTOSAR架构定义的中枢,包含了构建AUTOSAR系统的完整规范,是Au-TOSAR方法学生成或使用的所有信息结构的形式描述(换言之,AUTOSAR方法学集成于该元模型之中)。该无模型由统一建模语言(UML)和对象约束语言(OCL)创建,在其基础上町构建真实系统模型、并自动生成由可扩展标记语言(XML)描述的各种配置信息以用作各种支撑工具问的数据交换格式。

1.3

AUToSAR应用接口

AUTOSAR应用接口规范定义典型汽车应用接

口的语法和语义规约,以作为SW—Cs之间及SW—Cs与BSW之间的应用软件接口标准。当前主要考虑的是车身、底盘及动力传动系统控制领域的应用软件接门的标准化工作,并将逐步覆盖整个汽车电子系统领域。2

I和Ⅱ阶段进展及Ⅲ阶段展望

基于“在标准上合作、在实施上竞争”这一宗

旨,AUTOSAR开发合作关系从2003年7月建寺以

图4

AUTOSAR系统设计一实施过程

来,已吸引了全球100多家汽车制造商、部件供应商和工具提供商的参与。作为一个发展中的工业开放

万方数据 

第2期阴晓峰等:汽车电f系统软件开发新标准AUTOSAR

标准,AUTOSAR经历了最初的概念提出(2003年下半年至2004年上半年)、已完成的I阶段(2004年7月至2006年12月)和II阶段(2007年至2009年)、以及刚启动的III阶段(2010年至2012年)。

2.1

I阶段进展

该阶段的主要日标是获得一套完整的、有关架

构、方法学及模板的规范。共发布了AUTOSAR规范1.0、2.0和2.1,并完成两个验证原型的开发№引。其中,规范1.0包含I/O通信、CAN协议栈、FlexRay协议栈、诊断路由(不包括OBD)、内存栈及操作系统的规范;规范2.0在1.0的基础上增加了RTE、LIN协议栈、网关功能、看门狗和ECU状态管理服务的内容;规范2.1则在2.0基础上增加了BSW配置、符合性测试过程、变更及发布管理过程的内容。

为了验证并完善相应版本的规范,AUTOSAR开发了两个验证原型。验证原型1对规范1.0的实现和集成进行了验证。由14个成员公司(实现者)开发了31个BSw模块的56个不同实现、并由1个集成者分别在16位(MC9S12XDP512)和32位(rift.

Core

TCl766)硬件平台上进行了集成。在实现阶段

提出了260多个规范变更请求,在集成阶段只提出了很少的概念变更请求。验证原型2则对规范2.0的实现和集成进行了验证,并在此基础上更新规范2.0并发布了规范2.1。在该阶段结束时,AUTO.SAR规范在方法学、模板、BSW和RTE方面已达到了用于汽车电子产品开发所要求的成熟度。

2.2

lI阶段进展

该阶段有二个主要任务:一是应用和维护阶段

I的成果;二是进一步开发和完善标准。前者除在成员中推广应用之外,还涉及标准改进的发布及变更管理过程和符合性测试过程。后者在阶段I验证经验和应用反馈信息的基础|:,开展功能安全特性、多核处理器支持、车辆及应用模式管理、调试及错误处理、变型处理、时间特性模型、及应用接口等规范的标准化工作;其中的应用接口规范,除涉及车身、动力传动系统和底盘控制以外,还包括人机接口(HMI)、乘员及行人(P&P)安全系统、多媒体/远程信息处理等方面。

在标准化方面,AUTOSAR已发布了具有更高成熟度的规范3.0、3.1和4.0。规范3.0在架构方面,增加了ECU及总线状态管理方面的内容;在方法学方面,电子系统架构已可由相关模板描述,通过

引入新的BSW模块描述模板改进了实形配置方法

万 

方数据学,增加了支持FIBEX(现场总线交换格式)集成的系统模板;在应用接口方面,涉及车身、动力传动系统、底盘、HMI和多媒体领域的800多个端口和300多个接口已实现标准化。规范3.1还增加了对

OBD

II的支持。2009年12月发布的规范4.0,在架

构和方法学方面引入了一些新的概念。在架构方面,在BSW和RTE中引入了内存分配、防御行为、双机冗余、流程监控、端到端的通信保护库等机制以支持功能安全一o,引入了多核架构以支持一个高内聚的应用可移植到多核处理器上,改进了通信栈以支持LIN

2.1、FlexRay

3.0及长度大于8字节的信

号;在方法学和模板方面,引入了变删处理概念以支持带条件或可选接口的SW—C的不同调用和向不同平台或拓扑的分配或实施,以及使系统描述/生成适应不同的通信矩阵,并改善了对时间需求的描述。另外,规范在模块层次上定义了BSW的符合性测试标准。

在应用方面,BMW集团2008年在其全新的7系列“标准核”中包含了约10个BSW模块;Bosch公司2008年在其车身控制和组合仪表系统中应用了部分AUTOSAR规范;Hyundai与KPIT

Cummins

和NECEL公司合作,在其实验车巡航控制ECU中对BSW模块性能进行了分析;MagnetiMarelli公司基于FiatEU5汽油机平台应用AUTOSAR技术开发了样车。此外,BSW栈的商业实现已面市,且支撑工具的开发亦取得了很好的进展。如Vector公司在开发了符合规范3.0的MICROSAR(包括RTE和除复杂设备驱动以外的BSW栈)及支持从系统设计到ECU软件开发的相关工具(如Davinci和MIC-

ROSAR

Configurator);Delphi/Mecel公司开发了基

于PC的VFB仿真器;ETAS公司在ASCET和RTA软件中提供了对AUTOSAR的支持。

2.3

m阶段展望

该阶段的主要工作是对现有标准的维护和有选

择的功能增加(以支持新的技术并扩展现有的功能)。在基础软件架构和模块方面,将增加如附加硬件支持、与汽车多媒体应用的互操作性等新功能;扩展现有的通信机制,如增加与基于Intemet协议的网络的瓦操作性、与MOST的接口等;增加ECU和BSW模块级的有效能量管理方法;完全支持多核;功能安全改进;对现有功能进行如适应卡车领域诊断需求的改进和扩展。在方法论和模板方面,将增加如支持迭代开发等新功能;在支持可变换性、分布式开发、配置管理和ODX(开放的诊断数据交换)

西华大学学报・自然科学版

:2010拒

等方面对现有功能进行改进和完善;简化著作工具互操作性;支持为基础软件定义的新功能。在应用接口方面,将对规范进行改进和扩展以支持带优先权应用和常用应用接口。

在应用方面,AUTOSAR的9个核心成员已就全面开展AUTOSAR应用开发达成共识,所有核心成员均计划在其产品中引入AUTOSAR技术,如BMW集团在率先应用AUTOSAR技术的基础上,计划到2011年在动力传动系、底盘、安全及车身ECU上全面采用AUTOSAR架构;Bosch公司计划2010年从自适应巡航控制和动力传动系ECU推广至底盘和车身ECU;Continental集团计划2010年从车身及动力传动系扩展到底盘控制系统;DAIMLER公司计划从2010年开始使用AUTOSAR模块、2011使用AUTOSAR兼容的ECU、2012全面引入AUTOSAR架构和方法学;TOYOTA公司则计划在2012年使用基于AUTOSAR架构的ECU。3

实施建议

就我国而言,一方面,在汽车电子系统开发上,

过去往往更重视系统功能的实现,而在系统架构的研究与应用方面,与国外相比还存在较大差距;另一方面,AUTOSAR超越了现阶段广泛采用的ECU驱动的开发模式,全面实施也面临着投资成本难以快速收回的风险。因此,我国实施AUTOSAR标准宜采取由整车厂主导的多方分工协作的分阶段逐步展开的实施策略。

AUTOSAR规范的产生是全球合作的结果,我国在实施AUTOSAR时,亦可采用多方分工协作的方式,由整车及汽车电子装备供应商负责系统功能的开发,BSW栈可根据其功能划分由不同的专业公司或研究机构完成,支撑工具则可由有条件的软件企业来完成。各协作方可在明确分工的基础卜做好技术储备,以确保将来AUTOSAR成为全球汽车电子系统架构事实工业标准时,我国能在汽车电子领域自主技术创新的竞争中立于不败之地。

为实现内部遗留软件的重用、与汽车开发周期同步(不影响现有产品开发进度)和降低风险,可分阶段实现从私有软件架构向完全符合AUTOSAR标准的软件架构过渡。一个可选的方案是先按ICCl(实施符合类1)的要求实施,即将整个BSW栈和RTE封装成一个组件,仅在应用接口和总线通信接口七实现标准兼容,以确保所有功能/应用组件具有可重用性和可转移性;待条件成熟后再逐步按ICC2

万 

方数据和ICC3的要求实现标准化的基础软件栈。4

结语

AUTOSAR概念的提出,为汽车电子系统开发

模式从ECU驱动向功能驱动和架构集成的转变奠定了技术和方法学基础。随着其规范的进一步完善和推广应用,将使汽车电子系统的复杂度管理、组件重用、以及产品生命期软件修改、升级和更新变得相对容易,且汽车电子系统的可扩展性、软件质量及可靠性亦将得到较大程度的提高。

AUTOSAR已在全球范围内受到了业界的广泛关注,我国上海汽车、一汽集团、北京经纬恒润等也加入了该组织。随着加入该组织的成员进一步增多、AUTOSAR应用接口标准化工作的深入、应用/功能软件的商品化、以及支撑AUTOSAR方法学的工具软件的涌现,汽车电子系统的软件开发将会越来越多地采用AUTOSAR技术。

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(编校:刘瑜)


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