域控制器和汽車未來的電子架構

　　1980年代隨著IT技術的起步和興起，在當時機械主宰的汽車行業內掀起了一場電子電氣化革命。年輕的汽車電子系統迅猛發展，逐漸成為汽車的重要組成部分。2000年奔馳S級轎車的電子系統已經擁有80個電控單元，1900條總長達4km的通信總線。2007年奧迪Q7和捷卡宴的總線長度突破6km。在汽車電子系統功能逐漸豐富的同時，也因為通信總線不斷增長、控制器數量井噴式上升帶來了不受控制的制造成本上揚。對于研發工程師來說，如果任憑控制器數量繼續發展下去，遲早有一天系統會復雜到無人能總攬全局、無人能準確把握的程度。就像分散的小傳感器被逐漸集成為功能更強的單個傳感器，將分散的控制器按照功能域劃分、集成為運算能力更強的域控制器的想法應運而生。

　　為何引入域控制器

　　現如今，每臺汽車搭載的電子控制器平均25個，而在一些高端車型中這一數量通常會超過100。然而，這些控制器并非孤島，它們之間由總線相連，通過工程師預設好的通信協議交換信息。電子控制器數量越多，總線數量必將更長。長度超過6km的總線，重量通常會超過70kg，基本成為位列發動機之后的全車第二重部件。為了控制總線長度、降低電子控制器數量（或者保持控制器數量不變）從而降低電子部件重量、降低整車制造成本，大型域控制器的設計理念逐漸浮出水面。

　　以駕駛輔助系統舉例來說，為了滿足未來自動駕駛的功能需求，必將為汽車軟件系統帶來更多的代碼量和軟件包，運行和存儲這些代碼就需要更大的存儲空間和更強的運算能力。為了不讓車載網絡架構更加復雜，將已有的分散小型控制器加以整合成為域控制器并配以開放式的整體架構，成為現今汽車電系統發展的趨勢。為了承擔起相應功能域的運算和控制任務，多核高性能的控制器將逐漸進入車載控制系統。

　　所謂“域”就是將汽車電子系統根據功能劃分為若干個功能塊，每個功能塊內部的系統架構由域控制器為主導搭建。各個域內部的系統互聯仍可使用現如今十分常用的CAN和FlexRay通信總線。而不同域之間的通訊，則需要由更高傳輸性能的以太網作為主干網絡承擔信息交換任務。對于功能域的具體劃分，不同整車廠會有自己的設計理念，下圖給出了一種可能的劃分方法。在每個功能域中，域控制器處于絕對中心，它們需要強大的處理功率和超高的實時性能以及大量的通信外設。

　　汽車未來電子構架

　　隨著域控制器的提出，軟件將根據相應功能域重新分類集成。未來的汽車電子系統，將越來越面向駕駛員并以服務為導向。車載娛樂系統、人車交互系統、車聯網系統將扮演愈發重要的角色，其代碼量也必將與日俱增。為了應對這一系統變革，必須將相應軟件系統從分散在各處的電子控制器中剝離出來并重新集成在相應的域控制器中。下圖展示了一種未來可能的汽車電子系統構架。左上角為面向駕駛員的域控制器，它主要負責與駕駛員的人機交互功能。它被從傳統的動力系統等控制器中分離出來，并通過中央網關和以太網與其它域控制器進行通信連接。

　　通過智能天線和移動網絡，使得車載電子系統與整車廠后臺實時互聯成為可能。對于用戶來說，與云端后臺實時互聯將大大提高汽車所能接受的數據量，以便為駕駛員提供更多車載服務。例如，汽車行駛時對環境的感知或對周圍空余車位的信息收集，這不僅可以通過車載傳感器完成，也可以通過云端后臺的數據庫實時獲取。

　　另外，汽車上機械磨損件的使用情況、電子系統軟硬件錯誤報告等信息也可以被實時傳送至云端。這意味著，錯誤診斷讀取等服務將不需要客戶將車開到4S店，而直接通過云端讀取。這為汽車工程師對下一代汽車的改進和研發提供了大數據基礎?，F在大家所熟知Over the Air Update也將得益于這一構架更為普及。同時開放的汽車軟件架構將為用戶提供安裝個性化軟件應用的可能性。面向客戶的汽車軟件系統會像手機一樣，提供越來越靈活和多樣的使用體驗。

　　域控制器內部構架（Adaptive AUTOSAR）

　　當我們在談論域控制器的時候，是要利用其強大的運算處理能力為龐大的汽車軟件集中運算提出可能，一般來說它是一個復雜的多核電控單元。然而回首十年前，大多數汽車電子控制單元一般為16Bit單核處理器。這一技術跨越意味著，控制器供應商要在底層應用軟件上下更大功夫，升級已有的開發工具鏈，才有可能在開發這一復雜系統的同時有效控制成本。

　　當今量產的汽車電子控制器大多采用的是依據AUTOSAR或OSEK開發的靜態驅動系統。在軟件系統運行過程中，不同功能函數被事先定義好的排序文件（Scheduling）依次調用、逐個運行。靜態驅動系統的優點是資源分配問題被事先一次性解決，每個函數的具體運行區間亦被提前鎖定。這滿足了一些對于行車安全有苛刻要求的功能函數運行需求，比如決定安全氣囊是否打開的功能函數被固定地每幾毫秒運行一次，以便緊急情況下氣囊得以及時打開。

　　然而結合多核處理器，對于那些對運行時間沒有很高要求的功能函數來說，動態驅動系統就擁有許多優點。例如它更適合應用于服務為導向的功能函數，可以方便地進行軟件升級，為在線優化函數運行順序提供可能。針對這一系統AUTOSAR提出了一套可變AUTOSAR（Adaptive AUTOSAR）的解決方案。它既可以囊括動態驅動系統的優點，也為傳統的AUTOSAR提供了接口。

　　從圖中可以看到，整套架構以Linux為內核的POSIX-OS作為基石，它既可以在多核系統中直接運行也可以在額外的Hypervisor環境中獨立運行。來自整車廠和不同供應商的眾多軟件包分別構成了診斷服務、安全措施、通信服務等功能塊，并集成在Adaptive-AUTOSAR工作組中。所有的軟件通過Service-Broker互通信息，并為傳統的AUTOSAR軟件提供接口。Vector公司提出的汽車電子構架圖，也將這一理念融合其中?？梢哉f，隨著域控制器開始進入車載網絡系統，汽車電子系統必將逐步產生由內而外的大變革。