什么是汽車基礎(chǔ)軟件

基礎(chǔ)軟件（Basic Software）似乎是汽車行業(yè)獨(dú)有的一個(gè)軟件分類，有時(shí)候也叫底層軟件（Low Level Software）或者底層技術(shù)（Base Tech）。汽車行業(yè)分工細(xì)致，上下游產(chǎn)業(yè)鏈豐富，很多并非從事基礎(chǔ)軟件相關(guān)工作的汽車工程師對(duì)汽車基礎(chǔ)軟件并不是很了解。本文嘗試針對(duì)初學(xué)者作簡單的介紹和探討，基礎(chǔ)軟件大佬請自動(dòng)略過或批評(píng)指正。

那究竟什么是汽車基礎(chǔ)軟件呢？這是很多初接觸者經(jīng)常會(huì)問的問題。如果以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)行業(yè)術(shù)語類比，基礎(chǔ)軟件應(yīng)該最接近于計(jì)算機(jī)中的驅(qū)動(dòng)軟件。抽象來看，兩者都是硬件或操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間的橋梁。舉個(gè)類比的例子，我們平時(shí)電腦上用Word打印文件是一個(gè)很簡單的操作。

電腦連接一個(gè)新的打印機(jī)時(shí)，我們往往要安裝一個(gè)新的打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，但是Word軟件本身并不需要更改或重新安裝。這里的打印機(jī)就像是汽車行業(yè)中眾多的硬件，Word軟件就像是汽車行業(yè)中豐富的應(yīng)用軟件（Application Software, ASW），而這里的打印機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件就最像是汽車行業(yè)中的基礎(chǔ)軟件，解耦軟硬件，讓應(yīng)用軟件可以適配不同的硬件。

圖1：打印機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件（類似汽車行業(yè)基礎(chǔ)軟件）示意圖

而如果要進(jìn)一步深究基礎(chǔ)軟件的精確定義，那只能搬出汽車基礎(chǔ)軟件屆大佬組織AUTOSAR中的定義描述： ——“The Basic Software (BSW) provides the infrastructural (schematic dependent and schematic independent) functionalities of an“Electronic Control Unit.” 這個(gè)定義似乎也比較抽象和泛化，但這也許正是基礎(chǔ)軟件的外延。因?yàn)樵谄囆袠I(yè)，似乎除了功能應(yīng)用軟件，其他軟件部分在不同場景下都可以稱為基礎(chǔ)軟件。有些時(shí)候基礎(chǔ)軟件也延伸為基礎(chǔ)技術(shù)或者平臺(tái)服務(wù)等名字，這時(shí)候其往往還包含了一部分傳統(tǒng)意義上的應(yīng)用軟件模塊。

因?yàn)椤盎A(chǔ)”這個(gè)定義本身就是相對(duì)的，在不同語境下有不同的內(nèi)涵。就像很多產(chǎn)業(yè)工人會(huì)自稱基層，很多高級(jí)工程師也自稱基層，很多高級(jí)經(jīng)理也自稱基層。以下圖經(jīng)典AUTOSAR架構(gòu)為例，狹義的基礎(chǔ)軟件就是硬件和運(yùn)行時(shí)環(huán)境（RTE）之間的這部分軟件，但在某些討論背景下，例如討論OTA升級(jí)功能時(shí)，基礎(chǔ)軟件和基礎(chǔ)技術(shù)的外延往往會(huì)延伸到包括RTE和部分應(yīng)用軟件（對(duì)應(yīng)AUTOSAR中的SWC）。

圖2：狹義和廣義基礎(chǔ)軟件示意圖

為什么要做汽車基礎(chǔ)軟件

基礎(chǔ)軟件往往是從demo走向量產(chǎn)的關(guān)鍵難題，也往往是OEM從企業(yè)或者整車層面定義得最多最詳盡最復(fù)雜的需求。傳統(tǒng)外資OEM像大眾、寶馬、福特、通用等公司都會(huì)定義詳細(xì)的基礎(chǔ)軟件需求，往往高達(dá)上百篇文檔，上十萬條需求。

基于這些詳細(xì)的基礎(chǔ)軟件需求，留給Tier1的空間其實(shí)很小，有點(diǎn)像OEM已經(jīng)把整個(gè)設(shè)計(jì)圖紙都定義好了，就是讓Tier1“代工”把基礎(chǔ)軟件實(shí)現(xiàn)出來。這背后也是這類強(qiáng)勢OEM的一種戰(zhàn)略要求：掌握汽車軟件的核心技術(shù)能力，讓車上所有控制器及其軟件都按自己的要求標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化，方便統(tǒng)一調(diào)度，也方便切換不同的供應(yīng)商，進(jìn)一步加固自己在行業(yè)的核心地位。

汽車上的軟件越來越多，而這并不僅僅是多了幾百萬行代碼那么簡單。這背后實(shí)際上是要求汽車具備更豐富而完善的軟件基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure），涵蓋從開發(fā)到部署到維護(hù)的整個(gè)過程。將基礎(chǔ)軟件獨(dú)立地分離出來一個(gè)類別，并集中精力地設(shè)計(jì)開發(fā)，可以帶來以下明顯的好處：

1.軟硬件解耦

這是基礎(chǔ)軟件最突出的使命和優(yōu)勢。就如開頭舉的Word軟件和打印機(jī)的例子，用戶需求肯定包括Word軟件要適配不同的打印機(jī)硬件，而有了驅(qū)動(dòng)程序后，Word應(yīng)用軟件就可以和打印機(jī)硬件解耦。設(shè)計(jì)Word軟件的工程師可以專注于應(yīng)用軟件本身，打印機(jī)廠家也可以專注于打印機(jī)本身的設(shè)計(jì)，專注各自領(lǐng)域并把事情做好。這對(duì)汽車上數(shù)百個(gè)軟硬件復(fù)合的用戶功能來說也是一樣。在“缺芯”時(shí)代，正是由于基礎(chǔ)軟件的存在，才讓那么多汽車廠家可以有效地找尋替代料，切換芯片供應(yīng)商，保障供應(yīng)。

2.提高魯棒性

“穩(wěn)定”、“安全”、“可靠”等特性對(duì)于汽車行業(yè)來說都具有特殊的意義，對(duì)汽車軟件尤甚。汽車畢竟事關(guān)駕駛員和乘客的生命安全，而且往往會(huì)行駛十幾年，攀山涉水，環(huán)境變量復(fù)雜。通過細(xì)分基礎(chǔ)軟件，可以讓各個(gè)開發(fā)方專注領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計(jì)開發(fā)，完善各自領(lǐng)域內(nèi)的軟件開發(fā)規(guī)范和流程，保障軟件質(zhì)量。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的模塊和接口以及其標(biāo)準(zhǔn)化的屬性，都可以讓產(chǎn)品在頂層設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮到軟件的可靠性。

3.提高復(fù)用性

汽車基礎(chǔ)軟件的獨(dú)立，實(shí)質(zhì)上是帶著“高內(nèi)聚”和“低耦合”的面向?qū)ο蟮乃枷?。?biāo)準(zhǔn)化的模塊和接口可以給基礎(chǔ)軟件帶來很強(qiáng)的復(fù)用性。基于這個(gè)優(yōu)勢，對(duì)成熟的基礎(chǔ)軟件模塊，供應(yīng)商都是提供相應(yīng)的配置開發(fā)工具，由汽車軟件工程師按照不同項(xiàng)目配置不同參數(shù)，再由工具自動(dòng)生成源碼。

所以汽車基礎(chǔ)軟件往往是第一次實(shí)現(xiàn)的時(shí)候需要很多人力物力，例如某新勢力供應(yīng)商第一次獲得傳統(tǒng)OEM的項(xiàng)目定點(diǎn)時(shí)。但是該供應(yīng)商如果再做該OEM的后續(xù)項(xiàng)目時(shí)，哪怕是開發(fā)全新的應(yīng)用功能，也可以很輕松地復(fù)用之前項(xiàng)目的大部分基礎(chǔ)軟件代碼。

但是汽車基礎(chǔ)軟件也有其面臨的挑戰(zhàn)，一個(gè)是上文提到的第一次實(shí)現(xiàn)時(shí)需要大量人力物力投入，另一個(gè)是分層思想和軟硬件解耦帶來的效率損失。

前者的一個(gè)現(xiàn)實(shí)體現(xiàn)就是很多汽車新勢力公司都不愿意投入巨量資源到基礎(chǔ)軟件的開發(fā)中，相比之下快速交付產(chǎn)品更為重要。后者則更多是產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的取舍。例如按網(wǎng)絡(luò)披露的消息，特斯拉在自研FSD芯片的基礎(chǔ)上，就采用了很多軟硬件一體化的設(shè)計(jì)思想，并沒有過多地開發(fā)層次化、標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)軟件，以提高硬件利用率和減少軟件時(shí)延。

這種選擇，在我看來就有點(diǎn)像選用瑞士軍刀還是選用完備的刀具套裝：各有利弊，得根據(jù)具體情況選擇，沒有必然結(jié)論。按行業(yè)觀察，基礎(chǔ)軟件對(duì)于新勢力來說很多時(shí)候是一種“技術(shù)羈絆”，而對(duì)很多傳統(tǒng)汽車豪強(qiáng)來說則是他們的“技術(shù)積累”。

怎么做汽車基礎(chǔ)軟件

既然汽車基礎(chǔ)軟件事實(shí)上大量存在于汽車行業(yè)的軟件開發(fā)項(xiàng)目中，那么實(shí)際上大家都是怎么開發(fā)的呢？ 談到怎么實(shí)施的問題，就不得不提到AUTOSAR（Automotive Open System Architecture），它定義的主要范圍就是基礎(chǔ)軟件。AUTOSAR匯聚了眾多汽車行業(yè)頂尖軟件大牛的智慧，是基于行業(yè)最佳實(shí)踐而總結(jié)提煉的精華，并且應(yīng)用了大量層次結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮乃枷肜砟?，也是汽車行業(yè)基礎(chǔ)軟件的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。它在行業(yè)內(nèi)的統(tǒng)治地位，通過下圖所示的組織成員就可見一斑。

目前AUTOSAR分為Classic Platform AUTOSAR（CP）和Adaptive Platform AUTOSAR（AP）兩個(gè)平臺(tái)。CP是面向功能的FOA架構(gòu)（Function-Oriented Architecture），目前廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)嵌入式處理器中，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、電機(jī)控制器、ADAS域控制器中的MCU等。而AP則是面向服務(wù)的SOA架構(gòu)（Servic-Oriented Architecture），應(yīng)用于針對(duì)高計(jì)算能力、高帶寬通信、分布式部署的智能駕駛域控制器和座艙控制器的SOC上。

下圖是AUTOSAR通信協(xié)議棧的示意圖。接下來我們以它為例子，看一下通信的具體實(shí)施。我們先從上往下看一下信號(hào)從應(yīng)用層軟件產(chǎn)生到發(fā)送到物理總線的過程。信號(hào)由應(yīng)用層軟件創(chuàng)建后，通過RTE發(fā)送至COM模塊，它下面的軟件不能區(qū)分信號(hào)，只能理解PDU。因此COM將信號(hào)打包成PDU，進(jìn)一步傳輸給PDU Router。

PDU Router按照不同的傳輸協(xié)議將其傳輸給下游。如果PDU長度過大，則會(huì)先傳給CAN TP或者FlexRay TP，將一條長的PDU分割成若干條滿足協(xié)議要求的PDU。以CAN為例，CAN TP分割完P(guān)DU后會(huì)將其傳給CAN Interface（CAN If）模塊。

CAN If是ECU抽象層中的一個(gè)模塊，它負(fù)責(zé)傳輸請求、傳輸確認(rèn)和PDU模式控制等服務(wù)。CAN If往上的軟件和接口都是對(duì)具體的CAN收發(fā)器硬件不感知的。然后CAN If會(huì)調(diào)用底層的CAN Driver模塊，以控制和訪問實(shí)際的CAN收發(fā)器硬件。CAN Driver為它上層的軟件提供了硬件訪問接口，亦即硬件抽象。FlexRay和LIN的數(shù)據(jù)下行也是同理。而當(dāng)數(shù)據(jù)從物理總線接收再反饋到應(yīng)用軟件則是同理的逆向過程。

圖5：AUTOSAR通信協(xié)議棧示意圖

這個(gè)通信分層的架構(gòu)，可以讓各層軟件各司其職，讓應(yīng)用層等軟件屏蔽底層軟硬件實(shí)現(xiàn)。例如不管是CAN、FlexRay、LIN還是以太網(wǎng)傳輸上來的PDU，都會(huì)匯總到PDU Router，再到COM，統(tǒng)一管理內(nèi)存，這樣應(yīng)用層軟件獲取信號(hào)就可以只關(guān)注其端口號(hào)，而無需考慮它究竟從哪類總線傳上來的，因?yàn)檫@對(duì)應(yīng)用軟件來說也沒有意義。

而在實(shí)際操作層面，AUTOSAR基礎(chǔ)軟件標(biāo)準(zhǔn)化帶來了高度的可復(fù)用性，成熟的工具鏈也往往可以讓汽車軟件工程師不用埋頭寫基礎(chǔ)代碼，而是通過配置來高效地生成可靠的軟件代碼。通過AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)接口文件（*.arxml）可以很方便地在不同工具之間交互配置數(shù)據(jù)。

以下圖的Vector工具鏈為例，OEM可以通過PREEvision設(shè)計(jì)整車EE架構(gòu)，定義通信數(shù)據(jù)等，然后導(dǎo)出基于ECU抽象的*.arxml文件提供給供應(yīng)商。通過DaVinci Developer等工具可以導(dǎo)出應(yīng)用層SWC的*.arxml文件?；谀Ｐ偷膽?yīng)用層軟件工具（例如Matlab）可以利用該應(yīng)用層接口文件生成滿足AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層源碼（*.c和*.h文件）。

而基礎(chǔ)軟件部分則可以通過導(dǎo)入ECU抽象的*.arxml文件和ODX診斷數(shù)據(jù)庫等文件，在DaVinci Configurator中進(jìn)行詳細(xì)配置，生成RTE和各個(gè)BSW模塊的源碼（*.c和*.h文件）。基礎(chǔ)軟件、RTE和應(yīng)用軟件的源碼合在同一個(gè)工程項(xiàng)目中后，就可以通過編譯器生成可以刷寫到ECU上的可執(zhí)行代碼（如*.hex或*.elf）。這個(gè)高效配置的工作流，既可以讓開發(fā)者專注關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)，又能保障生成的源碼質(zhì)量，是汽車基礎(chǔ)軟件優(yōu)勢的一個(gè)實(shí)踐體現(xiàn)。

圖6：Vector的AUTOSAR基礎(chǔ)軟件配置工作流示意圖

審核編輯：劉清