域控制器的四大支柱分別是車(chē)載以太網(wǎng)、自適應(yīng)Autosar、高性能處理器和集中式E/E架構(gòu)。

? 1.車(chē)載以太網(wǎng)之物理層

? 車(chē)載以太網(wǎng)有兩個(gè)核心，一個(gè)是車(chē)載以太網(wǎng)物理層，另一個(gè)是車(chē)載以太網(wǎng)協(xié)議棧。前者讓車(chē)載以太網(wǎng)不同于傳統(tǒng)PC以太網(wǎng)，具備較低的重量和成本、較好的EMI性能和簡(jiǎn)單布線。后者讓車(chē)載以太網(wǎng)達(dá)到車(chē)規(guī)級(jí)的可確定性、高可靠性、低延遲和時(shí)鐘一致。?? ?

? ?車(chē)載以太網(wǎng)OSI模型，資料來(lái)源：Marvell ? 車(chē)載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)分兩部分，一部分是最底層的PHY標(biāo)準(zhǔn)，另一部分是鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都以IEEE的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最廣泛。 ? 車(chē)載以太網(wǎng)PHY標(biāo)準(zhǔn)主要是制定單對(duì)雙絞線標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車(chē)載以太網(wǎng)最大不同是傳統(tǒng)以太網(wǎng)需要2-4對(duì)線，車(chē)載以太網(wǎng)只需要一對(duì)，且是非屏蔽的，僅僅此一項(xiàng)，可以減少70-80%的連接器成本，可以減少30%的重量。這是車(chē)載以太網(wǎng)誕生的最主要原因。同時(shí)也是為了滿足車(chē)內(nèi)的EMC電磁干擾。 ?

車(chē)載以太網(wǎng)PHY標(biāo)準(zhǔn)分布，資料來(lái)源：Marvell ? 車(chē)載以太網(wǎng)野心勃勃，10Base-T1S是試圖取代傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)的。10BASE-T1S即IEEE802.3cg也就是 OPEN Alliance 的TC14 ，100BASE-T1即IEEE802.3bw也就是OPEN Alliance TC1，100/1000BASE-T1 ECU測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)即OPEN Alliance的TC8， 1000BASE-T1即IEEE802.3bp也就是OPEN Alliance 的TC12 ，2.5/5/10GBASE-T1即IEEE802.3ch也就是OPEN Alliance 的TC15標(biāo)準(zhǔn)。 ? 車(chē)載以太網(wǎng)物理層IC，100Mbps的大約3-4美元，德州儀器、NXP傳統(tǒng)汽車(chē)芯片大廠市場(chǎng)占有率高，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)芯片廠家博通也略強(qiáng)。1Gbps的大約15-20美元，Marvell在此領(lǐng)域?qū)嵙Τ瑥?qiáng)，博通和Microchip也有一席之地。1Gbps以上基本只有Aquantia，Aquantia已經(jīng)被Marvell以4.52億美元收購(gòu)。10Gbps有Aquantia的AQV107，大約40美元一片。 ?

? PHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，收到MAC過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)（對(duì)PHY來(lái)說(shuō)，沒(méi)有幀的概念，對(duì)它來(lái)說(shuō)，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC），每4bit就增加1bit的檢錯(cuò)碼，然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則（10Based-T的NRZ編碼或100based-T的曼徹斯特編碼）把數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)把數(shù)據(jù)送出去。網(wǎng)線上的到底是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)呢？答案是模擬信號(hào)，因?yàn)樗鼈鞒龊徒邮帐遣捎玫哪M的技術(shù)。雖然它傳送的信息是數(shù)字的，并不是傳送的信號(hào)是數(shù)字的。?? ?

通常交換器IC和MCU會(huì)集成低端（如CAN網(wǎng)絡(luò)）的物理層，高端（如以太、Flexray網(wǎng)絡(luò)）物理層一般都是單獨(dú)的芯片。

? 2.車(chē)載以太網(wǎng)協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)集:TSN

以太網(wǎng)是由鮑勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）于1973年提出的，以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)）技術(shù)，目前通常使用雙絞線（UTP線纜）進(jìn)行組網(wǎng)。包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)(10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)、千兆網(wǎng)(1Gbit/s)和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)。它們都符合IEEE802.3。(注：bps=bit/s) 。以太網(wǎng)中所有的傳輸都是串行傳輸，就是說(shuō)在網(wǎng)卡的物理端口會(huì)在每一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)“寫(xiě)入”或是“讀取”一個(gè)電位值(0或1)。那么這個(gè)單位時(shí)間對(duì)于1Gbps帶寬來(lái)說(shuō)就是1÷1000,000,000=1ns，每8個(gè)位(bit)相當(dāng)于1個(gè)字節(jié)(Byte)。多個(gè)字節(jié)(Byte)可以組成一個(gè)數(shù)據(jù)幀。以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)是以幀為單位的。 ? 以太網(wǎng)規(guī)定每一個(gè)數(shù)據(jù)幀的最小字節(jié)是64byte，最大字節(jié)是1518byte。實(shí)際上每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間還會(huì)有一個(gè)12字節(jié)的間隔。由于帶寬通常是由多個(gè)設(shè)備共享的，這也是以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)所在。但是所有的發(fā)送端沒(méi)有基于時(shí)間的流量控制，并且這些發(fā)送端永遠(yuǎn)是盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)幀。這樣來(lái)自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)流就會(huì)在時(shí)間上產(chǎn)生重疊，即我們通常所說(shuō)的沖突。因?yàn)樗袛?shù)據(jù)流重疊/沖突的部分會(huì)遵循QoS優(yōu)先機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，一部分的數(shù)據(jù)包肯定會(huì)被丟棄。在IT專業(yè)里有一個(gè)不成文的規(guī)定。 ?

當(dāng)某個(gè)交換機(jī)的帶寬占用率超過(guò)40%時(shí)就必須得擴(kuò)容，其目的就是通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)帶寬來(lái)避免擁堵的產(chǎn)生。 ? 由于以太網(wǎng)的發(fā)明時(shí)間太早，并沒(méi)有考慮實(shí)時(shí)信息的傳輸問(wèn)題。盡管RTP（Realtime Transport Protocol）能在一定程度上保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，但并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制。因此，想要對(duì)所有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序，就離不開(kāi)對(duì)數(shù)據(jù)的緩沖（Buffer）。但一旦采用緩沖的機(jī)制就又會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題—極大的“延時(shí)”。

換句話說(shuō)，當(dāng)數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)中傳輸?shù)臅r(shí)候從不考慮延時(shí)、排序和可靠交付。傳統(tǒng)以太網(wǎng)最大的缺點(diǎn)是不確定性或者說(shuō)非實(shí)時(shí)性，由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求，一直被視為“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)。盡管傳統(tǒng)二層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)引入了優(yōu)先級(jí)(Priority)機(jī)制，三層網(wǎng)絡(luò)也已內(nèi)置了服務(wù)質(zhì)量（QoS）機(jī)制，仍然無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的傳輸。此外，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，只有當(dāng)現(xiàn)有的包都處理完后才會(huì)處理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要幾百微秒的延遲，滿足不了車(chē)內(nèi)應(yīng)用的需求。更何況目前是Mbit/s的速率，延遲最多可能達(dá)上百毫秒，這肯定是無(wú)法接受的。

普通以太網(wǎng)采用的是事件觸發(fā)傳輸模式，在該模式下端系統(tǒng)可以隨時(shí)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于端系統(tǒng)的服務(wù)也是先到先服務(wù)。事件觸發(fā)模式的一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是當(dāng)幾個(gè)端系統(tǒng)需要在同一傳輸媒介上進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，所產(chǎn)生的傳輸時(shí)延和時(shí)間抖動(dòng)會(huì)累積。 ? 隨著音視頻娛樂(lè)大量進(jìn)入汽車(chē)座艙，IEEE開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)用于音視頻傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)，這就是EAVB。AVB——以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任務(wù)組于2005開(kāi)始制定的一套基于新的以太網(wǎng)架構(gòu)的用于實(shí)時(shí)音視頻的傳輸協(xié)議集。 ?

EAVB主要在針對(duì)多媒體數(shù)據(jù)，適用面太窄，2012年11月，EAVB工作小組改名TSN工作小組。TSN是一系列標(biāo)準(zhǔn)的集和。TSN的核心應(yīng)用是異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)、高可靠性，高時(shí)鐘同步性數(shù)據(jù)交換。也就是說(shuō)主要用于骨干傳輸網(wǎng)，而非節(jié)點(diǎn)。汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化是主要應(yīng)用場(chǎng)合，這些場(chǎng)合至少有兩種以上的傳輸總線，通常是CAN和以太網(wǎng)，汽車(chē)則還有MOST、Flexray、LIN、PSI5、CAN-FD等，這些是用戶習(xí)慣、成本和研發(fā)成果復(fù)用性決定的，不可能改變。如果非異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)，TSN優(yōu)勢(shì)不明顯。TSN也可用于5G，5G的前傳Fronthaul采用的就是TSN 802.1CM標(biāo)準(zhǔn)。 ?

? TSN標(biāo)準(zhǔn)包括時(shí)鐘同步、超高可靠性、低延遲、資源管理四大類(lèi)，紫色字體為尚未完成，截至2020年1月，2020年6月19日，802.1AS-2020版已經(jīng)完成。

? 下面介紹TSN的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn) ? 時(shí)間同步??? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? 所有通信問(wèn)題均基于時(shí)鐘，確保時(shí)鐘同步精度是最為基礎(chǔ)的問(wèn)題，TSN工作組開(kāi)發(fā)基于IEEE1588的時(shí)鐘，并制定新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1AS-Rev。它用于實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘同步。對(duì)于TSN而言，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時(shí)”，而是“最差狀態(tài)下的延時(shí)”—這如同“木桶理論”，系統(tǒng)的能力取決于最短的那塊板，即對(duì)于確定性網(wǎng)絡(luò)而言，最差的延時(shí)才是系統(tǒng)的延時(shí)定義。 ? IEEE1588 協(xié)議，又稱 PTP（ precise time protocol，精確時(shí)間協(xié)議），可以達(dá)到亞微秒級(jí)別時(shí)間同步精度，于 2002 年發(fā)布 version 1，2008年發(fā)布 version 2。它的主要原理是通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，IEEE?1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。 ?

? IEEE1588 協(xié)議的同步原理，所提出的 Delay Request-Response Mechanism（延時(shí)響應(yīng)機(jī)制）如上圖，IEEE1588 把所涉及到的報(bào)文分為 事件報(bào)文 和 通用報(bào)文，分類(lèi)依據(jù)是：是否在收發(fā)報(bào)文時(shí)需要記錄精確時(shí)間戳，根據(jù)上文中所描述的幾種報(bào)文，可以進(jìn)行如下分類(lèi)： ?

事件報(bào)文（event message） ：sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。 ?

通用報(bào)文 (generalmessage) ：Announce/Follow_up/Delay_resp/Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Siganling。Pdelay_Req /Pdelay_Resp/Pdelay_Resp_Follow_Up通過(guò)peer延遲機(jī)制測(cè)量?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘端口之間的鏈接延時(shí)，鏈接延時(shí)被用來(lái)更正Sync和Follow_Up報(bào)文中的時(shí)間信息。 ?

? IEEE802.1AS-Rev是為以太網(wǎng)第二層所定義的1588規(guī)范加以擴(kuò)展，它的擴(kuò)展包括了所有域常用peer延遲服務(wù)，支持精細(xì)時(shí)間測(cè)量FTM，對(duì)鏈路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范圍-包括1步時(shí)間戳標(biāo)準(zhǔn)化處理以及針對(duì)長(zhǎng)鏈、環(huán)的支持，更好的響應(yīng)能力，這包括了更快的主站交互、降低BMCA收斂時(shí)間。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息傳輸以及冗余支持能力（可配置冗余路徑和冗余主站）。對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)間測(cè)量提供更好的支持。IEEE802.1AS-Rev的制定得到了AVNU聯(lián)盟的大力支持，AVNU聯(lián)盟由英特爾、思科和三星哈曼發(fā)起，是EAVB協(xié)議的主要提供者，AVNU聯(lián)盟為IEEE802.1AS-Rev的實(shí)施提供協(xié)助，能夠提供完整的協(xié)議棧和測(cè)試認(rèn)證。

? 低延遲

? 汽車(chē)控制數(shù)據(jù)可以分為三種，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic，Scheduled Traffic如底盤(pán)控制數(shù)據(jù)，沒(méi)有任何的妥協(xié)余地，必須按照嚴(yán)格的時(shí)間要求送達(dá)，有些是只需要盡力而為的如娛樂(lè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以靈活掌握。汽車(chē)行業(yè)一般要求底盤(pán)系統(tǒng)延遲不超過(guò)5毫秒，最好是2.5毫秒或1毫秒，這也是車(chē)載以太網(wǎng)與通用以太網(wǎng)最大不同之處，要求低延遲。 ?

? 在TSN標(biāo)準(zhǔn)里，數(shù)據(jù)則被分為4級(jí)，最高的預(yù)計(jì)延遲時(shí)間僅為100微秒。 ? 低延遲的核心標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.1Qbv時(shí)間感知隊(duì)列。 ?

? 通過(guò)時(shí)間感知整形器(Time Aware Shaper)使TSN交換機(jī)能夠來(lái)控制隊(duì)列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標(biāo)識(shí)并指派給基于優(yōu)先級(jí)的VLAN Tag，每個(gè)隊(duì)列在一個(gè)時(shí)間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊(duì)列報(bào)文的在預(yù)定時(shí)間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊(duì)列將被鎖定在規(guī)定時(shí)間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個(gè)交換機(jī)的延遲是確定的，可知的。而在TSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文延時(shí)被得到保障。TAS介紹了一個(gè)傳輸門(mén)概念，這個(gè)門(mén)有“開(kāi)”、“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過(guò)程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊(duì)列的門(mén)是“開(kāi)”狀態(tài)的信息。而這些門(mén)的狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)時(shí)間進(jìn)度表network schedule進(jìn)行定義。對(duì)沒(méi)有進(jìn)入network schedule的隊(duì)列流量關(guān)閉，這樣就能保障那些對(duì)傳輸時(shí)間要求嚴(yán)格的隊(duì)列的帶寬和延遲時(shí)間。TAS保障時(shí)間要求嚴(yán)苛的隊(duì)列免受其它網(wǎng)絡(luò)信息的干擾，它未必帶來(lái)最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當(dāng)優(yōu)先級(jí)非常高時(shí)，搶占機(jī)制可以被使用。 ?

? 在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置時(shí)隊(duì)列分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三種，對(duì)于Schedule而言則直接按照原定的時(shí)間規(guī)劃通過(guò)，其它則按優(yōu)先級(jí)，Best-effort通常排在最后。Qbv主要為那些時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其必須確保非常低的抖動(dòng)和延時(shí)。Qbv確保了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換。 ?

? 對(duì)于特別重要的數(shù)據(jù)，TSN規(guī)定了一個(gè)搶占機(jī)制，它由802.1Qbu/802.3br共同構(gòu)成。對(duì)于IEEE802.1Qbu的搶占而言，正在進(jìn)行的傳輸可以被中斷，報(bào)文按等級(jí)可被分為可被搶占和搶占幀，搶占生成框架，最小以太網(wǎng)幀受到保護(hù)的，127字節(jié)的數(shù)據(jù)幀（或剩余幀）不能被搶占。IEEE802.1br定義了，設(shè)計(jì)了快速幀的MAC數(shù)據(jù)通道，可以搶占Preemptable MAC的數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.3br也同樣可以與IEEE802.1Qbv配合進(jìn)行增強(qiáng)型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 ?

? 高可靠性

? TSN中保證高可靠性主要依靠802.1CB標(biāo)準(zhǔn)。這也是無(wú)人駕駛必須用TSN的主要原因，也只有TSN能讓整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到功能安全的最高等級(jí)ASIL D級(jí)。同樣，與自適應(yīng)AUTOSAR的捆綁程度也比較高。 ?

? 眾所周知，L4級(jí)無(wú)人駕駛需要一個(gè)冗余處理器，但是主處理系統(tǒng)和冗余處理系統(tǒng)之間的通訊機(jī)制如何建立？這就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是兩套系統(tǒng)間的冗余，芯片之間的冗余還是多采用PCIE交換機(jī)的多主機(jī)fail-operational機(jī)制，兩者有相似之處。 ?

? 對(duì)于非常重要的數(shù)據(jù)，802.1CB會(huì)多發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)備份，這個(gè)備份會(huì)沿著最遠(yuǎn)離主數(shù)據(jù)路徑交集的路徑傳輸。如果兩個(gè)數(shù)據(jù)都接收到，在接收端把冗余幀消除，如果只接受到一幀數(shù)據(jù)，那么就進(jìn)入后備模式。在ISO/IEC 62439-3中已經(jīng)定義了PRP和HSR兩種冗余，這種屬于全局冗余，成本較高，802.1CB只針對(duì)關(guān)鍵幀做冗余，降低了成本。802.1CB標(biāo)準(zhǔn)的制定主要依靠思科和博通。 ?

? 802.1CB也可以縮寫(xiě)為FRER。 ?

? FRER不僅能提供雙失效冗余，也可以提供多失效冗余。 ?

? 802.1CB也有簡(jiǎn)單的失效原因分析機(jī)制 ?

? 域控制器階段，TSN的必要性還不是太突出，但是ADAS領(lǐng)域的域控制器，TSN或者說(shuō)802.1CB的優(yōu)勢(shì)明顯，未來(lái)進(jìn)入到SOA架構(gòu)階段，即混合域和Zonal階段，TSN交換機(jī)和物理層IC都是不可或缺的。一旦轉(zhuǎn)進(jìn)到SOA架構(gòu)，TSN很快將取代EAVB成為主流。 ? ? ? ? ? ?

3.自適應(yīng)Autosar

AUTOSAR只是一個(gè)軟件框架，不具備實(shí)操意義（務(wù)虛）。必須購(gòu)購(gòu)買(mǎi)第三方的軟件系統(tǒng)或二次開(kāi)發(fā)，全球主要有三家商業(yè)化的Autosar軟件供應(yīng)商，分別是Vector、EB和ETAS。EB屬于德國(guó)大陸汽車(chē)軟件子公司，獨(dú)立性略差，硬件方方面與瑞薩和英飛凌捆綁稍明顯，ETAS規(guī)模比較小，ETAS鋪蓋面最廣，獨(dú)立性最強(qiáng)，規(guī)模最大，因此Vector市市場(chǎng)占有率最高，大約有70%。 ? AUTOSAR結(jié)構(gòu)比較臃腫，想定義一切，靈活性不高，新興造車(chē)通通常不感興趣。開(kāi)發(fā)AUTOSAR和硬件也捆綁得有點(diǎn)緊，比如國(guó)內(nèi)普華基礎(chǔ)軟件就跟意法半導(dǎo)體捆綁的緊。 ? 國(guó)內(nèi)有東軟、恒潤(rùn)、普華和華為在做，需要芯片廠家配合提供MCAL抽象層，但芯片廠家地位超然，不屑于和小公司合作。普華汽車(chē)電子事業(yè)部國(guó)內(nèi)唯一通過(guò)ASIPICE三級(jí)和ASIL D級(jí)認(rèn)證的公司，隸屬中中國(guó)電子科技集團(tuán)，國(guó)企背景。主要客戶包括一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)安、奇瑞、江淮等國(guó)企。 ?

? 即便是大公司如奔馳寶馬也是購(gòu)買(mǎi)Vector的Autosar工具M(jìn)ICROSAR。 ?

奔馳的Vector Microsar ? 為什么要搞自適應(yīng)Autosar，因?yàn)榻?jīng)典Autosar只能對(duì)應(yīng)OSEK這樣復(fù)雜程度很低的嵌入式操作系統(tǒng)，無(wú)法適應(yīng)Linux這樣的大型操作系統(tǒng)，而自動(dòng)駕駛和部分智能駕駛操作系統(tǒng)都是Linux，因此催生了自適應(yīng)Autosar。 ? Adaptive Autosar，自適應(yīng)Autosar第一版誕生自2017年3月，目前已經(jīng)有6版，最新版本是2019年11月。據(jù)說(shuō)第一版的自適應(yīng)Autosar的英文規(guī)格書(shū)用A4紙打印出來(lái)摞起來(lái)有7米高。 ?

? 經(jīng)典Autosar與自適應(yīng)Autosar對(duì)比，目前Autosar有284個(gè)會(huì)員，9個(gè)核心會(huì)員，分別是寶馬、奔馳、大陸汽車(chē)、福特、戴姆勒、PSA、通用汽車(chē)、豐田和大眾。兩個(gè)戰(zhàn)略會(huì)員，電裝和LG電子。55個(gè)高級(jí)會(huì)員，其中中國(guó)企業(yè)有長(zhǎng)城、華為、百度、香港英恒。另外說(shuō)一句，這4家企業(yè)是近兩年才成為高級(jí)會(huì)員的，2017年高級(jí)會(huì)員沒(méi)有中國(guó)企業(yè)。 ?

? ?Autosar組織結(jié)構(gòu)，主要工作由Working組完成。 ?

? Working組架構(gòu)如上圖。用戶組下面再分三個(gè)小組，分別是中國(guó)組，負(fù)責(zé)演示開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)軟件集成。北美組，負(fù)責(zé)一般性培訓(xùn)（OEM-Tier1 Workflows/ Security），安全和以太網(wǎng)。增強(qiáng)利用ImprovedExploitation組，負(fù)責(zé)命題（Thesis）優(yōu)化。 ?

? 自適應(yīng)Autosar路線圖，版本是不能混用的，比如你買(mǎi)了R19-03的部分模塊，剩下的模塊想用R19-11版是不可能的。Adaptive AUTOSAR中，主要包含兩種Application： ? 1）Application-Level的Application 2）Platform-Level的Application ? Application-Level的Application會(huì)生成源代碼和目標(biāo)代碼，這部分與 “用戶”有關(guān)。Platform-Level的Application會(huì)生成目標(biāo)代碼，這部分與 "工具供應(yīng)商" 有關(guān)。不是所有工具供應(yīng)商都能提供完整的Platform-Level的Application，通常只能提供部分，某些領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)未確定，如V2X，工具供應(yīng)商幾乎完全無(wú)能為力。 ?

? 自適應(yīng)Autosar與經(jīng)典Autosar計(jì)劃增加的特色有23個(gè)，例如針對(duì)中國(guó)特色的V2X。 ?

? 自適應(yīng)Autosar是針對(duì)自動(dòng)駕駛的，2021年11月版計(jì)劃對(duì)應(yīng)L3級(jí)自動(dòng)駕駛，不過(guò)這個(gè)L3級(jí)換到中國(guó)或者馬斯克口中，估計(jì)是L5了，目前一般推薦19-03版，比較穩(wěn)定。 ?

自適應(yīng)Autosar典型應(yīng)用場(chǎng)景如上圖 ?

? 自適應(yīng)Autosar的層架構(gòu)如上圖?；A(chǔ)服務(wù)層中，主要服務(wù)包括，通信服務(wù)（COM）、加密服務(wù)（crypto）、日志記錄服務(wù)（Log）、診斷服務(wù)（Diag）、存儲(chǔ)服務(wù)（Per）、狀態(tài)管理（SM）、執(zhí)行管理（Exec）、時(shí)間同步（Tsync）、升級(jí)配置管理（UCM）等。 ?

非Autosar、經(jīng)典Autosar和自適應(yīng)Autosar對(duì)比 ?

ARA的COM架構(gòu)，還是Autosar定義的ARXML文件格式為核心 ?

ARA工具鏈如上圖 ?

? 自適應(yīng)Autosar關(guān)鍵點(diǎn)一：Everything is a process .. as in “OS process”，一切都是一個(gè)進(jìn)程，OS中的進(jìn)程。 ?

? 關(guān)鍵點(diǎn)二：面向服務(wù)的進(jìn)程間通訊。

? 每個(gè)AA（自適應(yīng)應(yīng)用或者說(shuō)APP）都作為一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有自己的邏輯內(nèi)存空間和名稱空間。一個(gè)AA可以包含多個(gè)進(jìn)程，并且可以應(yīng)用到一個(gè)AP（自適應(yīng)平臺(tái)）實(shí)例上，或者分布在多個(gè)AP實(shí)例上。從模塊組織的角度來(lái)看，每個(gè)進(jìn)程都是由操作系統(tǒng)在可執(zhí)行文件中去實(shí)現(xiàn)的?？梢詮膯蝹€(gè)可執(zhí)行文件實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程。AA可以構(gòu)成多個(gè)可執(zhí)行文件。從操作系統(tǒng)的角度上看，一個(gè)AP模塊只形成一組進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程包含一個(gè)或多個(gè)線程。這些進(jìn)程通過(guò)IPC或任何其他可用的操作系統(tǒng)功能相互作用。但是，AA進(jìn)程不能直接使用IPC，只能通過(guò)ARA（AUTOSAR Runtime for Adaptive applications） 的進(jìn)行通信。 ? 為了與AA交互，還需要使用IPC。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，有兩種可選設(shè)計(jì)。一種是“基于庫(kù)”的設(shè)計(jì)，其中接口庫(kù)由功能集群提供并鏈接到AA，直接調(diào)用IPC。另一種是“基于服務(wù)”的設(shè)計(jì)，流程使用通信管理功能，并有一個(gè)鏈接到AA的服務(wù)器代理庫(kù)。代理庫(kù)調(diào)用通信管理接口，該接口協(xié)調(diào)AA進(jìn)程和服務(wù)器進(jìn)程之間的IPC。實(shí)現(xiàn)定義決定了AA是只執(zhí)行帶有通信管理的IPC，還是通過(guò)代理庫(kù)與服務(wù)器混合使用IPC。 ?

? ? Application就是OS的一個(gè)一個(gè)進(jìn)程，Autosar 采用一個(gè)Manifest用來(lái)配置管理這些進(jìn)程信息，包含平臺(tái)相關(guān)的信息，恢復(fù)操作以及與服務(wù)或庫(kù)相關(guān)的依賴關(guān)系，Instance 配置文件主要包含靜態(tài)的信息，這里會(huì)配合執(zhí)行管理Exec、升級(jí)與配置管理UCM以及狀態(tài)管理SM等來(lái)配合管理進(jìn)程。自適應(yīng)Autosar采用Proxy/Skeleton的通信架構(gòu)，同時(shí)采用中間件SOME/IP ?

? 目前明確使用自適應(yīng)Autosar的量產(chǎn)車(chē)就是大眾的MEB平臺(tái)。 ?

? 大眾MEB的軟件架構(gòu)，POSIX可以是Linux、VxWorks、QNX、Integrity等。 ?

? 經(jīng)典Autosar是將MCU硬件與軟件層分離，提高軟件復(fù)用率，減少工作量。自適應(yīng)Autosar是將POSIX操作系統(tǒng)與上層API分離，讓軟件開(kāi)發(fā)變成APP開(kāi)發(fā)。一般情況下，POSIX系統(tǒng)的應(yīng)用程序通過(guò)應(yīng)用編程接口(API)而不是直接通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)編程(即并不需要和內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)編程)。一個(gè)API定義了一組應(yīng)用程序使用的編程接口。它們可以實(shí)現(xiàn)成調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)，也可以通過(guò)調(diào)用多個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而完全不使用任何系統(tǒng)調(diào)用也不存在問(wèn)題。實(shí)際上，API可以在各種不同的操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)給應(yīng)用程序提供完全相同的接口，而它們本身在這些系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)卻可能迥異。如下圖，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用printf()函數(shù)時(shí)，printf函數(shù)會(huì)調(diào)用C庫(kù)中的printf，繼而調(diào)用C庫(kù)中的write，C庫(kù)最后調(diào)用內(nèi)核的write()。而經(jīng)典Autosar的前身OSEK是不可能的。 ? 從程序員的角度看，系統(tǒng)調(diào)用無(wú)關(guān)緊要，只需要跟API打交道。相反，內(nèi)核只跟系統(tǒng)調(diào)用打交道，庫(kù)函數(shù)及應(yīng)用程序是怎么系統(tǒng)調(diào)用不是內(nèi)核所關(guān)心的。 ? 那個(gè)大眾API就是大眾所說(shuō)的VW.OS。大眾定義輸入輸出，第三方軟件開(kāi)發(fā)商基于這個(gè)定義開(kāi)發(fā)APP。 ?

? PPE是奧迪的下一代電動(dòng)車(chē)平臺(tái)，大眾在2023年開(kāi)始全部使用VW.OS。 ?

? 上圖以WindRiver的操作系統(tǒng)為例，顯示出Autosar的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，靈活架構(gòu)。對(duì)于安全性和實(shí)時(shí)性要求高的領(lǐng)域采用VxWorks，對(duì)于要求不高也達(dá)不到高安全性的如深度學(xué)習(xí)（無(wú)功能安全要求）等采用Linux。在虛擬機(jī)上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作系統(tǒng)。順便說(shuō)一句Windriver是全球最大的商業(yè)RTOS供應(yīng)商，最大的嵌入式商業(yè)Linux供應(yīng)商。Windriver已經(jīng)在2018年脫離英特爾獨(dú)立。 ?

? 多種操作系統(tǒng)等于自適應(yīng)Autosar可以構(gòu)建時(shí)間分區(qū)架構(gòu)。避免各個(gè)CPU核心之間的干擾。保證ADAS的安全性。 ?

? 以Windriver產(chǎn)品為例L4級(jí)無(wú)人駕駛的自適應(yīng)Autosar軟件架構(gòu)。對(duì)V2X 5G和高精度地圖非常友好。 ?

?大陸汽車(chē)子公司Elektrobit的Corbos自適應(yīng)Autosar架構(gòu) ? 自適應(yīng)Autosar將運(yùn)行的硬件視為一臺(tái)機(jī)器，實(shí)現(xiàn)一致的平臺(tái)視圖，而不考慮所使用的虛擬化技術(shù)。這臺(tái)機(jī)器可能是一臺(tái)真正的物理機(jī)器、一臺(tái)完全虛擬化的機(jī)器、一個(gè)準(zhǔn)虛擬化的操作系統(tǒng)、一個(gè)操作系統(tǒng)級(jí)的虛擬化容器或任何其他虛擬化環(huán)境。 ? 在硬件上，可以有一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器，并且只有一個(gè)自適應(yīng)Autosar服務(wù)在機(jī)器上運(yùn)行。這種“硬件”上一般會(huì)有一個(gè)芯片，并承載著一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器。然而，如果自適應(yīng)Autosar服務(wù)允許的話，多個(gè)芯片也可能形成一臺(tái)機(jī)器。 ?

?

自適應(yīng)Autosar也使得車(chē)內(nèi)電子架構(gòu)得以大幅度躍進(jìn)，進(jìn)入中央化和區(qū)域化時(shí)代 ?

自適應(yīng)Autosar平臺(tái)與經(jīng)典Autosar網(wǎng)關(guān)連接 ? 自適應(yīng)Autosar、車(chē)載TSN以太網(wǎng)、Zonal架構(gòu)是三位一體的，也是未來(lái)汽車(chē)電子的核心。不過(guò)自適應(yīng)Autosar目前對(duì)中小企業(yè)來(lái)說(shuō)恐怕不合適，標(biāo)準(zhǔn)未完善，一次性投入過(guò)高，開(kāi)發(fā)難度過(guò)高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。 ?

上圖為Vector的自適應(yīng)Autosar產(chǎn)品Adaptice MICROSAR 配置開(kāi)發(fā)工具和工作流。 ?

? 上圖為Vector推薦的自適應(yīng)Autosar開(kāi)發(fā)流程圖，與經(jīng)典Autosar不同，自適應(yīng)Autosar要求最好和整車(chē)電子架構(gòu)一起開(kāi)發(fā)，因?yàn)樽赃m應(yīng)Auotsar是整車(chē)電子架構(gòu)的核心底層。因此自適應(yīng)Autosar常常與整車(chē)電子設(shè)計(jì)架構(gòu)軟件PREEvision捆綁。 ?

PREEvision分4層 ? 需求層（Requirements Layer）：該層需要導(dǎo)入需求開(kāi)發(fā)的輸出物：需求說(shuō)明書(shū)，作為工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)文件。需求層一般由三部分組成：Requirement、Customer Feature、FFN。

? 功能邏輯層：該層用于描述系統(tǒng)的邏輯功能關(guān)系，即系統(tǒng)功能的模塊框架以及各模塊之間的接口關(guān)系。主要包括兩個(gè)層面的內(nèi)容：系統(tǒng)邏輯架構(gòu)層和軟件架構(gòu)層。前者關(guān)注系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的所有邏輯關(guān)系；后者關(guān)注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的軟件相關(guān)的邏輯關(guān)系。內(nèi)容包括邏輯傳感器、功能塊、邏輯執(zhí)行器等功能模塊，以及各功能模塊之間的信息交互接口（Port）。當(dāng)各模塊之間的端口通過(guò)信息交互接口連接后，相應(yīng)模塊就能進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息的交換。在功能邏輯架構(gòu)中，開(kāi)發(fā)人員可以方便的查看各個(gè)功能模塊之間的邏輯關(guān)系。

? 硬件架構(gòu)層（Hardware Architecture Layer）：該層主要包括網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、部件層（Components Layer）和線路原理層（Schematic/Circuit Layer）。網(wǎng)絡(luò)層主要描述各個(gè)部件之間的邏輯鏈接方式，如總線系統(tǒng)、傳統(tǒng)連接、電源供應(yīng)和地線連接等（還會(huì)在線路原理層進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化）；部件層描述每個(gè)部件內(nèi)部構(gòu)成及其對(duì)外接口的詳細(xì)信息；線路原理層描述網(wǎng)絡(luò)層中邏輯連接的具體實(shí)現(xiàn)情況，如：具體導(dǎo)線、線纜連接方式、保險(xiǎn)繼電器盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

4.E/E架構(gòu) ? 先進(jìn)E/E架構(gòu)實(shí)際就是車(chē)載以太網(wǎng)和自適應(yīng)Autosar的具體應(yīng)用。無(wú)論是軟件定義汽車(chē)還是服務(wù)架構(gòu)導(dǎo)向，其最核心的支柱也是車(chē)載以太網(wǎng)和自適應(yīng)Autosar。 ?

上圖為汽車(chē)E/E架構(gòu)演進(jìn)路線圖，資料來(lái)源：博世 ? Vehicle Computer階段實(shí)際就是Zonal架構(gòu)，Centralization中央化就是域控制器架構(gòu)。這都離不開(kāi)TSN。 ?

TSN為骨干網(wǎng)的Zonal架構(gòu) ? Zonal架構(gòu)可算是SOA架構(gòu)的典型代表，可以說(shuō)SOA架構(gòu)離不開(kāi)TSN。ADAS/座艙/車(chē)身三個(gè)運(yùn)算單元類(lèi)似大眾MEB里的ICAS。 ?

大眾的MEB架構(gòu) ?

網(wǎng)關(guān)中最核心的則是對(duì)應(yīng)TSN的交換機(jī) ?

Zonal網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部框架圖 ?

? CAN到以太網(wǎng)，即SOME/IP-UDP-IP-MAC，或TCP-IP-MAC。這也意味著經(jīng)典Autosar或自適應(yīng)Autosar不可或缺。TSN、Autosar是SOA不可或缺的成分。 ?

幀的分組，包括目的地，優(yōu)先級(jí)，截至周期等 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 5.高性能處理器

上圖為ARM在2017年投資者大會(huì)上發(fā)布的內(nèi)容，ARM預(yù)計(jì)2020年頂級(jí)座艙的算力是50K DMIPS ?

?? 智能座艙典型功能，資料來(lái)源：IHS Markit ? 對(duì)于座艙來(lái)說(shuō)，決定其功能和性能的關(guān)鍵是主SoC的算力，衡量CPU算力的單位主要是DMI。 ? PS，DMIPS是DhrystoneMillion Instructions Per Second的縮寫(xiě)，每秒處理的百萬(wàn)級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言指令數(shù)?；旧蟂oC高于20000DMIPS才能流暢地運(yùn)行智能座艙的主要功能（AR導(dǎo)航或云導(dǎo)航、360全景、播放流媒體、AR-HUD、多操作系統(tǒng)虛擬機(jī)等），GPU方面，只需要100GFLOPS的算力就可以支持3個(gè)720P屏幕，因此簡(jiǎn)單定義一下，CPU高于20000DMIPS，GPU高于100GFLOPS的SoC的座艙就是智能座艙。

? 程序編譯和運(yùn)行過(guò)程中，代碼會(huì)經(jīng)過(guò)編譯器轉(zhuǎn)化成機(jī)器可以理解的指令。CPU每個(gè)指令周期分為取指令、指令譯碼、指令執(zhí)行三個(gè)過(guò)程，只有在指令執(zhí)行時(shí)才真正有效，在取指令和指令譯碼時(shí)，CPU時(shí)間是白白浪費(fèi)的，而同樣的運(yùn)算在不同架構(gòu)不同指令集需要的指令數(shù)也不一樣。 ?

不同的CPU指令集不同、硬件加速器不同、CPU架構(gòu)不同，導(dǎo)致不能簡(jiǎn)單的用核心數(shù)和CPU主頻來(lái)評(píng)估性能，所以出了一個(gè)跑分算法叫Dhrystone：程序用來(lái)測(cè)試CPU整數(shù)計(jì)算性能，其輸出結(jié)果為每秒鐘運(yùn)行Dhrystone的次數(shù)，即每秒鐘迭代主循環(huán)的次數(shù)。

? Dhrystone所代表的處理器分?jǐn)?shù)比MIPS（million instructionsper second 每秒鐘執(zhí)行的指令數(shù)）更有意義，因?yàn)樵诓煌闹噶钕到y(tǒng)中，比如RISC（Reduced Instruction Set Computer精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)和CISC（ComplexInstruction Set Computer復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)，Dhrystone的得分更能表現(xiàn)其真正性能。由于在一個(gè)高級(jí)任務(wù)中，RISC可能需要更多的指令，但是其執(zhí)行的時(shí)間可能會(huì)比在CISC中的一條指令還要快。由于Dhrystone僅將每秒鐘程序執(zhí)行次數(shù)作為指標(biāo)，所以可以讓不同的機(jī)器用其自身的方式去完成任務(wù)。另一項(xiàng)基于Dhrystone的分?jǐn)?shù)為DMIPS（DhrystoneMIPS），其含義為每秒鐘執(zhí)行Dhrystone的次數(shù)除以1757（這一數(shù)值來(lái)自于VAX 11/780機(jī)器，此機(jī)器在名義上為1MIPS機(jī)器，它每秒運(yùn)行Dhrystone次數(shù)為1757次）。 ? 影響CPU算力最關(guān)鍵的參數(shù)是Decode Wide譯碼寬度，譯碼寬度可簡(jiǎn)單等同于每周期指令數(shù)量即IPC，即每個(gè)周期完成多少個(gè)指令。 ?

? 譯碼寬度的增加是非常困難的，不是想多少就多少的，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)每增加一位寬度，系統(tǒng)復(fù)雜度會(huì)提高15%左右，裸晶面積也就是成本會(huì)增加15-20%左右。如果簡(jiǎn)單地增加譯碼寬度，那么成本也會(huì)增加，廠家就缺乏更新的動(dòng)力，所以ARM的做法是配合臺(tái)積電和三星的先進(jìn)工藝，利用晶體管密度的提高來(lái)減少裸晶面積降低成本，因此ARM的每一次譯碼寬度升級(jí)都需要先進(jìn)制造工藝的配合，否則成本增加比較多。同時(shí)ARM也從商業(yè)角度考慮，每年小升級(jí)一次，年年都有提升空間。8位寬度是目前的極限，蘋(píng)果一次到位使用8位寬度，缺點(diǎn)是必須使用臺(tái)積電最先進(jìn)的制造工藝，但蘋(píng)果依然使用的是ARM的指令集。 ?

此外，RISC和CISC還有區(qū)別，CISC增加寬度更難，但CISC的1位寬度基本可頂RISC的1.2-1.5位。英特爾是有實(shí)力壓制蘋(píng)果的，就是制造工藝不如臺(tái)積電。CISC指令的長(zhǎng)度不固定，RISC則是固定的。因?yàn)殚L(zhǎng)度固定，可以分割為8個(gè)并行指令進(jìn)入8個(gè)解碼器，但CISC就不能，它不知道指令的長(zhǎng)度。因此CISC的分支預(yù)測(cè)器比RISC要復(fù)雜很多，當(dāng)然目前RISC也有長(zhǎng)度可變的指令。遇到有些長(zhǎng)指令，CISC可以一次完成，RISC因?yàn)殚L(zhǎng)度固定，就像公交車(chē)站，一定要在某個(gè)站停留一下，肯定不如CISC快。也就是說(shuō)，RISC一定要跟指令集，操作系統(tǒng)做優(yōu)化，RISC是以軟件為核心，針對(duì)某些特定軟件做的硬件，而CISC相反，他以硬件為核心，針對(duì)所有類(lèi)型的軟件開(kāi)發(fā)的。 ? 目前與未來(lái)常見(jiàn)座艙與智能駕駛SoC算力統(tǒng)計(jì) ?

編輯：黃飛

?