域控制器-下一代智能汽车电子软件体系的关键元素

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    正如大家所看到的，智能驾驶已经成为行业发展的趋势，无论我们是否认可，技术有时候不得不受市场需求的推进。也许从我们这些长年从事软件行业的人员来说，对自动驾驶以至无人驾驶的安全性仍有担忧，但资本的力量是无穷的，会带动整个产业向市场方向发展。

    除了资本和市场的因素，还有些其它原因，也在推动行业技术的革新。比如气候的改变、环境的破坏以及不可再生能源的过度消耗，推动了新能源技术的发展。人口的城市化和老龄化、人工智能以及万物互联这些曾经看上去没有任何关联的名词，现在却在客观上带动我们的技术向高效、智能发展。

    首先我们来看看ECU，现代的一辆汽车中通常包含了70到100个ECU，即电子控制单元，相当于空客A380里面控制单元的数量，可见现代汽车的复杂度已经可以跟航空设施相比较，而这些ECU的开发通常由Tier1按照OEM的规范完成。它们的功能是什么呢？简单地理解，就是用来控制Power Train，刹车，远程通信及车门开关等操作。一般来说，越高端的车提供的控制功能就越多。

    然而ECU的数量不可能一直增长，这样会大大提高整个系统的复杂度，从而降低系统的稳定性，对于智能驾驶系统来说，过高的复杂度将影响系统的可靠性和安全性，并增大设计的难度。因此我们可以看到，ECU目前的数量处于一个比较稳定的区间，从下图就可以看出ECU数量近年来的变化曲线。

    但是，智能汽车技术的发展使得我们的汽车越来越像一个计算机集群，里面包含了各种各样的功能，而其中任何一个子系统都包含大量的软件代码。

    这是我们现在汽车电子系统的控制框图，大家可以看到整个系统呈星型结构，60个到100个ECU，系统控制的成本和通信的开销都非常大，一辆高端车里可能同时存在6到8个操作系统，且各个子系统之间完全分离，很难做到有效的共享资源和互操作，硬件成本和软件复杂度都很高。

   如何降低硬件成本，简化系统的控制，这就要求我们对现有的汽车软件体系架构要做一些改变，这也是域控制器技术推出的驱动力。我们可以从下图看出，在域控制器的体系架构之下，各个功能部件均成为独立的域，而每个域之下有相应的控制功能集合。域与域之间可以做到安全隔离，也可以根据需求进行通信和互操作。无论是ADAS，数字座舱，底盘控制，都有了各自独立的域，这样我们的汽车就变成了类似以太网总线上的计算机局域网，变成了松散耦合的架构。我们会有一些疑问，这样的架构能降低成本？是的，因为这些域不一定要挂载在独立的真实硬件之上，可以是虚拟化后的虚拟硬件实体。比如我们可以采用一个高性能且集成化的硬件，在其中的处理器之上运行虚拟化，将整块硬件虚拟化成多个功能实体，每个功能实体就代表了一个或者几个域，从而降低了系统的重量、成本以及操作的复杂度。

    下面的这张图，比较清晰地描述了汽车电子软件体系架构的演化，左边是传统的架构，而右边则是基于域控制器技术的下一代智能汽车架构。

    很明显的，大家会问，软件架构变了，总线呢？对，也要发生变化，最明显的变化是以太网总线会更多地渗透到我们的系统中，并与其它总线技术伴随并存，而在短期并不是完全取代，下图可以看出总线技术演化的趋势。

    那么，在实际应用中，我们会怎样去构建域呢？非常容易看到的一种应用趋势就是ADAS和数字座舱的融合，数字座舱这个概念我在这两年的各种论坛里也经常提到，数字座舱代表了车载电子技术的融合。比如在初级阶段，中控娱乐信息系统、音频控制（噪声消除、回声抵消等）和远程通信单元即我们常说的T-box融合，还可以是中控娱乐信息系统、音频控制和数字化仪表盘融合，也可以是数字化仪表与抬头显HUD的融合。在高级阶段完全融合，成为一个数字座舱的域。而ADAS部分由于需要更高的安全性和控制实时性，可以由独立的ADAS域来控制。

    我们做过一些分析，完成同样的功能，采用集成化硬件和域控制器技术可以降低系统硬件成本高达30%，这对于成本日益敏感的汽车工业来说，会是非常有意义的演变。基于这样的架构，我们无论对系统哪个域做软件的升级和管理，包括ECU的控制，都比原先的结构简单清晰，最重要的是数据安全性会大大加强。我们经常看到有些报道，黑客通过中控娱乐信息系统或者手机互联的安全漏洞侵入汽车，做非授权操作，这样的问题对于今后的自动驾驶和无人驾驶将会是一个灾难。因此域的划分显得尤为重要，我们可以把安全性要求高的域加以特权访问限制，即使黑客侵入了某些非关键域，也无法完全获得系统的控制权。

    在这里，我不想提太多有关类似ISO26262相关的功能性安全规范，因为这已经逐渐成为汽车电子安全件设计的基本要求，如数字化仪表盘、ADAS这类的系统无论从操作系统、中间件到服务层、应用层均需要有严格的安全设计规范。

    对于域控制器来说，虚拟化技术是一个可实现的方案，但不是绝对的，可以有其它的替代方案，如单板多输出加进程隔离。但是从系统可靠性的角度，虚拟化是较严谨的方案，下图就是一个典型的虚拟化方案的例子，在虚拟化之上可以运行多个操作系统，根据各自应用场合的不同，选择相应的系统进行开发。比如可以用实时操作系统RTOS进行安全域（ADAS、数字仪表盘、MR的HUD）的开发，Android系统进行娱乐应用域的开发，从而整个系统兼顾功能性、安全性、娱乐性和应用性。

    域控制器技术一定会带来汽车电子软件体系架构的变化，最关键的是，会引起供应商乃至OEM的洗牌。没有正确把握体系架构发展变化趋势的供应商和OEM，未来就有可能在一轮轮的技术演化中被淘汰出局。

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