作者 |Ted 上?？匕哺锫饭ぷ魇?/p>

來源 |鑒源實(shí)驗(yàn)室

01汽車電子和軟件的發(fā)展

當(dāng)下汽車工業(yè)正在經(jīng)歷過去幾十年未曾經(jīng)歷的快速變更，伴隨著電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化等趨勢(shì)，未來汽車必將實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)駕駛，汽車電子和軟件正在深刻地影響著出行領(lǐng)域。

今天的汽車，正在運(yùn)行著比大部分其他嵌入式系統(tǒng)更多的軟件代碼和邏輯，分布在汽車各個(gè)部分的電子控制單元（ECU，Electronic Control Unit），是這些軟件的承載。數(shù)量眾多，并且相互協(xié)作的ECU，通過信號(hào)交互有機(jī)地結(jié)合起來，最終實(shí)現(xiàn)車輛整體駕駛和控制。電子電氣架構(gòu)包含了車上所有的硬件、軟件、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電子電氣分配系統(tǒng)。

圖 1

資料來源：KLA，五礦證券研究所

現(xiàn)在行業(yè)對(duì)于智能化趨勢(shì)都形成了共識(shí)，智能化趨勢(shì)下，如何將車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)高效、有機(jī)、安全地組合起來，成為當(dāng)下行業(yè)的一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)。

智能化的發(fā)展，產(chǎn)生了：

（1）復(fù)雜且采集信息量日益增加的傳感器，包括用于自動(dòng)駕駛的視覺信息、激光雷達(dá)/毫米波雷達(dá)/超聲雷達(dá)信息、以及大量傳統(tǒng)的位置、電磁、電流、電壓、溫度等信息；

（2）大量執(zhí)行器的數(shù)據(jù)，包括更高精度的電池管理大數(shù)據(jù)，更復(fù)雜的電機(jī)電控?cái)?shù)據(jù)，底盤電子的轉(zhuǎn)向剎車懸架等執(zhí)行器高速信令和反饋，車身內(nèi)外飾、燈光控制、門窗控制，空調(diào)舒適性控制；

（3）信息娛樂系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)。

今天的智能汽車個(gè)體和群體，正在慢慢變成世界上最復(fù)雜龐大的傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)之一，在這個(gè)傳感器、執(zhí)行器之后，將會(huì)伴隨一個(gè)超級(jí)大腦，進(jìn)行信息處理加工，軟件是這個(gè)超級(jí)大腦的核心要素。

02汽車智能化的一個(gè)趨勢(shì)是

中央計(jì)算單元為中心的分布式架構(gòu)

很多汽車行業(yè)從業(yè)者都熟悉了從分布式到集中式，再到域控制器的演進(jìn)過程，我們的網(wǎng)絡(luò)和媒體也給了很多介紹。本文要表達(dá)的是，汽車電子電氣架構(gòu)最終將服務(wù)到高度智能駕駛的方向，部分車輛會(huì)構(gòu)建類似人腦+中樞神經(jīng)+末端神經(jīng)的方向。

圖 2

目前國內(nèi)外半導(dǎo)體廠商，都在開發(fā)設(shè)計(jì)面向智能汽車的擁有強(qiáng)大計(jì)算能力的車載計(jì)算中心芯片。這類芯片往往具有多核并行的CPU，有用于圖形和圖像處理的GPU，以及用于AI計(jì)算的各種加速器。

下圖是英偉達(dá)ORIN的一個(gè)框圖。

圖 3

資料來源：知乎@汽車人參考

國內(nèi)芯片廠商地平線、黑芝麻、芯馳等也紛紛推出了用于智能駕駛中央計(jì)算的芯片，越來越多的Tier1和OEM開始開發(fā)此類中央計(jì)算單元。

應(yīng)用這些復(fù)雜計(jì)算能力的中央計(jì)算單元，將成為未來車輛信息處理軟件的核心載體。

03高帶寬，面向服務(wù)等特性的總線網(wǎng)絡(luò)

是適應(yīng)下一代車內(nèi)通訊的方向

目前車內(nèi)通訊以金屬介質(zhì)導(dǎo)線為主，核心網(wǎng)絡(luò)通訊主要包括CAN總線和以太網(wǎng)總線。

CAN是控制器域網(wǎng)（Controller Area Network）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898）（來自百度百科）。從 1993 第一版 CAN 國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898:1993 和 ISO 11519-2）發(fā)布至今，CAN總線經(jīng)受了穩(wěn)定性安全性的考驗(yàn)，自身也在不斷進(jìn)步，在2015年引入了CAN FD（ISO 11898-1-2015），CAN FD允許通訊速率超過1Mbit/s（通常應(yīng)用是2M或者5M），幀有效載荷也從8Byte限制演變成8-64Byte，較大地推動(dòng)了數(shù)據(jù)交互效率。目前新一代毫米波雷達(dá)、新一代動(dòng)力總成、新一代網(wǎng)關(guān)等，很多進(jìn)行了CAN FD升級(jí)。

隨著在2020年的第17屆國際CAN大會(huì)（iCC）上，提出了CAN XL。CAN XL是一種高度可擴(kuò)展的通信技術(shù)，涉及比特率和數(shù)據(jù)字段的長度，物理層仍在開發(fā)中，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高達(dá)10+Mbit/s的比特率。目前可以了解到的是幀長度支持1~2048Byte的可變長度。在必要時(shí)，可將以太網(wǎng)幀打包為CAN XL消息，直接或間接通過CAN XL使用IP通信技術(shù)。

車載以太網(wǎng)是為了滿足越來越復(fù)雜和高帶寬條件下將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)引入汽車的一個(gè)成功應(yīng)用。車載以太網(wǎng)的概念最初是由Broadcom提出，后來OPEN（單對(duì)以太網(wǎng)）聯(lián)盟采納了這一標(biāo)準(zhǔn)并承擔(dān)起管理職責(zé)。OPEN推廣Broadcom的100 Mbps BroadR-Reach作為多供應(yīng)商許可解決方案。100 Mbps PHY實(shí)施借鑒了1 Gbps以太網(wǎng)的技術(shù)，能夠在一對(duì)線纜上實(shí)現(xiàn)100 Mbps雙向傳輸。

車載以太網(wǎng)協(xié)議是一組多個(gè)不同層次上的協(xié)議簇，是一個(gè)5層的協(xié)議系統(tǒng)，從上到下分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。5層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于OSI參考模型，并且提供了各種協(xié)議框架下形成的協(xié)議簇及高層應(yīng)用程序，區(qū)別于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，車載以太網(wǎng)的協(xié)議架構(gòu)如下：

圖 4

資料來源：知乎@Hi 峰叔

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于CAN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著區(qū)別是總線拓?fù)洹?/p>

圖 5

CAN總線可以依賴一對(duì)雙絞線，實(shí)現(xiàn)多個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)直接通訊，僅僅在跨越子網(wǎng)的時(shí)候，需要網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)或者過濾。實(shí)施成本較低。

以太網(wǎng)在一般情況下都需要依賴一個(gè)交換機(jī)（Switch），實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)ECU節(jié)點(diǎn)的信息交換。

車載總線網(wǎng)絡(luò)在過去幾年的快速迭代，開始為高等級(jí)自動(dòng)駕駛做好準(zhǔn)備。

04信息安全是新一代電子電氣架構(gòu)下

通訊安全的保障

如本文前面章節(jié)所述，大數(shù)據(jù)量和高帶寬支撐下的高等級(jí)自動(dòng)駕駛車輛，技術(shù)高速迭代的同時(shí)，信息安全的保障是非常必須的。

目前在車載網(wǎng)絡(luò)信息安全中，廣泛研究和工程應(yīng)用的包括如下一些：

（1）車載網(wǎng)絡(luò)安全通訊

包括使用Secoc，TLS，IPSec等框架下的安全ECU間網(wǎng)絡(luò)通訊。

（2）車輛軟件和數(shù)據(jù)安全加密和簽名

使用非對(duì)稱加密算法為核心的PKI基礎(chǔ)設(shè)施、軟件簽名。進(jìn)行軟件OTA安全管理。

（3）車載內(nèi)嵌安全HSM研究

針對(duì)ECU內(nèi)部計(jì)算單元的硬件安全加密模塊，及對(duì)應(yīng)的算法和軟件驅(qū)動(dòng)等管理。

（4）IDPS入侵檢測(cè)及防護(hù)

IDPS提供監(jiān)視系統(tǒng)是否存在惡意活動(dòng)的軟件應(yīng)用程序或設(shè)備，根據(jù)OEM的能力，IDPS可以分為兩部分：IDS與IPS。IDS的重點(diǎn)僅在發(fā)現(xiàn)此類活動(dòng)時(shí)發(fā)出警報(bào)。IPS則嘗試防止檢測(cè)到的某些入侵。

信息安全是車輛全生命周期安全的一個(gè)重要保障，越高等級(jí)的自動(dòng)駕駛，越需要信息安全的保障。

審核編輯：湯梓紅