#百人创作先锋团#什么是能够支持Car.OS的软件平台

愿景总览

一个完整且强壮可靠的软件平台，目标的设定基于整车的性能，安全和实时性等多维度的考量，兼顾支持多核异构HPC的硬件限制。（这里必须要强调的是一个度，安全和实时不是绝对的）

为了做到人无我有，人有我优的软件平台，需要有几点宏观的考量：

1，应对多域融合，复杂度，威胁等级不同应用的集成。

2，应对达到最高安全（ASIL-D）和安全级别，以保证各种工况的自动驾驶。

3，提供一个集成的、可扩展的工具环境，支持从系统设计到验证的快速反馈循环。

4，采用持续集成（CI）、持续验证（CV）和持续交付（CD）方法，来应对大规模软件的复杂性。

5，提供从简单微控制器到复杂微处理器的无缝解决方案，平台将基于开放标准构建。它将包括非通用CPU，如图形处理单元（GPU）和深度神经网络（DNN）引擎。标准将包括AUTOSAR和机器人操作系统（ROS）。

6，为从微控制器和高性能计算平台构建的系统提供一个高效、可扩展的运行调度环境。

相关技术

软件平台的开发需要重视以下技术：

1，高性能是第一指标

2，最先进的用户体验

3，开放式的标准

4，Safety和Security

5，确定性执行和实时性

6，支持跨域异构的架构

High level的要求

1、高性能

• 支持高性能微处理器和并行叠加。
• 支持多核计算、多线程。
• 通过共享内存等方法实现高性能通信。
• 应对硬件加速集成，如GPU提供的特殊加速器。

2、用户体验

• 精简的、最低限度的中间件API和工具接口。
• 有效支持系统建模和架构。
• 在虚拟和真实驱动器中，从构思到原型再到验证的快速往返时间，包括系统评估。
• 虚拟化和可扩展性允许集成像DevOps这样的CI/CD工作风格，DevOps部署频率>每天1次。

3、开放的标准

• 使用面向服务的架构，可进行动态部署。
• 灵活部署到软件在环/硬件在环仿真环境以及目标硬件。
• 具有模块化和可扩展架构的多API支持。
• 多COM堆栈支持和COM堆栈扩展性。
• 必须与AUTOSAR兼容。
• 考虑到基于ROS的出现，与ROS兼容，用于快速成型和工具重复使用。
• 必须和SOMEIP兼容，兼顾DDS。

4、功能安全

• 可以达到ASIL-D安全等级
• 实现确定域值内的FFI
• 支持功能级失效执行和正常降级。
• 支持在SOTIF环境下通过模拟和回归测试进行早期验证。
• Zero Work思想减少功能开发人员的安全相关开发工作。

5、信息安全

• 安全抽象层，以及BSW层提供的安全feature。
• 遵守周围系统的安全要求。
• 保密性。

6、确定性和实时性

• 支持事件触发和时间触发的调度方法。
• 数据域和时域的确定性设计，跨SOC和ECU的E2E计算链的实时保证。

系统总览

软件平台系统模块的概述，包括所有可自主开发的和第三方组件，如下图所示（不同视角的抽象样例，接触不同种架构后会发现其中大量重合）。

(后台回复：AES19，获取高清图片）

提炼出软件平台中的“相同”与“不同”是明确需求阶段的重中之重。

ECU架构参考

软件平台对应的 ECU通常是多核，上图所示。

HPC是以下组件的组合：

• 微控制器，ASIL等级高达ASIL-D。（微控制器可以是SOC设备的实时安全核心。）
• 微处理器，通常是ASIL等级为ASIL-B或ASIL-C的SoC。在这一领域，软件平台解决方案应侧重于增强和改进微处理器，以使其适应新的要求。
• 通信主干网，高速通信主干是ECU上所有软件平台Host之间的主通信信道。假定的通信主干是：

Ethernet：默认通信主干假定为以太网。补充TSN功能，可提供确定性。

PCIe：与以太网主干网相比，更高的带宽和更低的延迟。PCIe可用于满足这些要求，但是投入产出比还没有实际案例验证其必要性。

微控制器&软件平台

在安全岛上，软件平台被设计为软件功能应用程序（也称为软件组件、应用程序...）和复杂设备驱动程序的组合。遵循AUTOSAR方法。

微控制器软件架构基于AUTOSAR Classic。

微处理器&软件平台

微处理器软件架构将基于符合POSIX的操作系统。该架构将重点改进微处理器系统的功能。

软件平台将支持Linux/QNX等。

应用API

软件平台将提供一个运行时环境，将用户从底层软件机制和硬件中抽象出来。在这个抽象的环境中需要考虑的技术点包括多核、内存、时间戳和确定性。

API遵循开放标准，标准包括：

• Classic AUTOSAR
• Adaptive AUTOSAR
• 基于AUTOSAR自适应的确定性子集API。
• ROS
• 高级应用程序API，定制的。

软件平台与Adaptive AUTOSAR

在性能核上，软件平台应提供Adaptive AUTOSAR（以下简称AP）兼容层，AP由下图所示的模块组成。

软件平台可以用商业化的堆栈，并需要将扩展规范（关于所需功能），以涵盖整车级别的技术要求，并支持在目标系统上部署。

首先对AP的选择需要提出一些细化的要求，这是比较复杂和核心的内容，对AP，CP，OS等等细化的需求明确后才可以清晰知道需要扩展开发的部分，这个还和遗留的架构和软件强相关。后续空了考虑单独出一期。

泛泛地说将有三类扩展模块：

• 核心模块：这些模块将是开发的重点。
• 第三方模块：重点在适配和集成。
• 项目特定模块：这些模块将根据项目特定需求开发。

ROS

为了支持AD，现在很多开发者开始考虑提供ROS的兼容性框架。

早期阶段，建议可分两个阶段提供ROS支持：

• 第1阶段：ROS 2支持prototype。
• 第2阶段：ROS 2支持SOP。那么谁是第一个吃螃蟹的呢？

需要考虑到已有的：ROS 2客户端library，ROS 2中间件接口（DDS绑定），与ROS工具套件的互操作性......到量产还有很多需要开发，集成的内容。

硬件加速

单独列出这个话题，是因为在考虑整体软件平台的项目中，对硬件的依赖是无法回避和忽视的。我的观点是：在软件定义汽车的时代，硬件依旧极其重要。

比如智驾域软件平台应加强对GPU和神经元处理单元（NPU）等非通用CPU的支持。例如：

• 支持在硬件加速器上执行的功能组件的通信和调度。
• 抽象出来自通用CPU的访问请求，以进行管理。

通信

软件平台的重点之一是提供一个通信中间件，抽象出所有通信相关的内容。这包括平台软件、功能应用程序、非软件平台的ECU组件与传感器或执行器等车辆组件之间的通信。（整车是做一个完整的系统，弱化域的概念。这个和后续的调度部分也强相关）

通信中间件技术将基于：

• 基于信号的通信
• 面向服务的体系结构（SOA），支持服务发现和发布/订阅范例。
• SOMEIP, DDS...

软件平台通信bindings/transport 层 

软件平台需要提供以下通信绑定/传输层（可选但是不限于）： 

• 共享内存
• 以太网
• PCIe
• 整车级通信

有一些都需要遵循的特性： 

• 统一的且通用API抽象，接口是整个平台的一个重点。
• 高性能的通信。
• 安全可靠的通信。

1 共享内存 

平台需要提供一个高性能的共享内存管理系统。

2 以太网

平台将车内和车外通信的以太网网络技术兼容。同时探索与TSN设备的兼容性，以储备能力提供基于以太网的确定性通信。 

3 PCIe 

平台需要考虑提供基于PCIe的通信主干网，支持高带宽和低延迟要求。这项工作的范围仅限于通过基于PCIe的骨干网实现通信，并提供连接共享内存管理层和PCIe驱动程序所需的软件堆栈。储备技术，未见商业价值。

4 整车级通信 

平台提供通过网关组件在经典总线（如CAN、CAN-FD和以太网）上进行通信的可能性。这将启用平台ECU（HPC）与其他车辆部件（如非平台ECU、执行器和传感器）之间的通信。

基于信号的通信

平台将支持基于信号的安全相关通信。这种通信可以在平台托管的应用程序之间进行，也可以在平台应用程序和外部组件（如非平台ECU、执行器、传感器等）之间进行。

面向服务的通信

平台的默认通信选项将包括具有动态发布/订阅机制的面向服务的通信。面向服务的通信能力将符合技术清单。对底层通信技术的访问将由所提供的应用程序API完全抽象。

面向服务的通信需要Scalable Service-Oriented Middleware Over IP (SOME/IP)和Data Distribution Service (DDS)。解决方案同时支持部分SOMEIP和DDS。

DDS的大规模使用有待验证。

调度

首先明确一个目的，调度的核心是简化开发流程，提高平台开发可靠性。

平台将提供功能应用（内容）和网络（路径）调度机制。这些将用于满足需求要求，并简化功能应用程序的集成和验证过程。

调度的基础

平台调度基础将遵循以下方法：

• 全局调度：一种全局调度方法，允许描述完整的系统行为
• 事件驱动的调度：任务/计算链的执行可以基于外部触发器触发，例如具有显著抖动的传感器输入。
• 数据驱动的调度
• 时间驱动的调度：通过经验是需求创建/调整时间表。
• 硬件引擎调度：管理对硬件（如加速器）的访问。

工具支持

平台提供一个调度套件，支持用户创建、配置和验证自定义调度程序。

调度套件将遵循以下原则：

• 用户友好性。
• 对最终用户隐藏的复杂性。
• 紧密的CI/CD集成，工具性能。
• 离线和在线可视化。

总结一下，软件平台话题的几个要素：

• 大致架构设计以及各个模块的Spec，需求明确，
• 各种技术的融合，
• Make or Buy,
• 集成工作

文章转载自公众号：汽车电子与软件