基于AUTOSAR 架構(gòu)的汽車電子軟件產(chǎn)品的開發(fā)方法

詹克旭

（博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司， 上海 201821）

隨著中國(guó)汽車電子制造業(yè)的不斷快速變革和汽車電子信息系統(tǒng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，以及未來人們對(duì)汽車舒適性和汽車功能性的要求逐步提高，越來越多的汽車功能需求被集成在汽車上，使得汽車的電氣系統(tǒng)架構(gòu)愈加復(fù)雜，這樣就可能造成不同功能的電子控制單元之間很可能存在高度耦合。對(duì)于汽車軟件的整合開發(fā)，各大知名汽車專用電子軟件廠商都已經(jīng)有自己的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，因此在開發(fā)集成軟硬件時(shí)，由于軟件開發(fā)平臺(tái)之間存在著的差異性很可能會(huì)造成可移植性差、不正常兼容等問題。由于軟件兼容性問題也會(huì)導(dǎo)致汽車軟件開發(fā)存在潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)使軟件開發(fā)成本大幅度增加，基于上述分析，如果依然按照傳統(tǒng)的工業(yè)軟件開發(fā)工作流程，已經(jīng)不能完全滿足要求，整車軟件系統(tǒng)開發(fā)的工作復(fù)雜度將大大增加。

汽車開放電子系統(tǒng)軟件架構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)名為AUTOSAR（Automotive Open System Architecture），由歐洲的全球汽車部件制造商、供應(yīng)商、半導(dǎo)體和電動(dòng)工具制造廠商共同聯(lián)合發(fā)起組建，并共同制定了一系列用于汽車開放電子系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)規(guī)范［1-3］，作為用于汽車軟件開發(fā)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化開放式系統(tǒng)架構(gòu)。為了有效解決目前汽車電子系統(tǒng)軟件的可復(fù)用及在不同硬件平臺(tái)上的可移植性，AUTOSAR通過引入各種模塊化的軟件開發(fā)方法，能夠有效滿足日益復(fù)雜的汽車電子系統(tǒng)軟件開發(fā)的技術(shù)需求，以達(dá)到不斷降低軟件產(chǎn)品成本和不斷提高軟件產(chǎn)品品質(zhì)的目的?；贏UTOSAR架構(gòu)的軟件開發(fā)越來越受到高度重視，近年來已經(jīng)得到極大發(fā)展，其必將逐步發(fā)展成為能夠滿足未來汽車電子軟件系統(tǒng)開發(fā)需求的軟件架構(gòu)。

1 AUTOSAR技術(shù)概述

AUTOSAR的計(jì)劃目標(biāo)主要有3個(gè)：建立分層的體系架構(gòu)，為應(yīng)用程序的開發(fā)提供方法論，制定各種應(yīng)用接口規(guī)范。

1.1 AUTOSAR軟件總體架構(gòu)

為了充分方便用戶切換硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件和硬件分開，盡可能最大化提高模塊軟件的功能復(fù)用率，AUTOSAR系統(tǒng)架構(gòu)采用軟件分層和可分布的模塊軟件設(shè)計(jì)的工作思想。AUTOSAR系統(tǒng)架構(gòu)從軟件底層到上層共劃分為3層：基礎(chǔ)軟件層、運(yùn)行時(shí)環(huán)境層和應(yīng)用層［4-6］，如圖1所示。

圖1 AUTOSAR軟件總體架構(gòu)

1） 基礎(chǔ)軟件層BSW。BSW （Basic Software） 由一系列的基礎(chǔ)服務(wù)軟件組件模塊構(gòu)成，主要功能用于提供各種基礎(chǔ)軟件服務(wù)，包括標(biāo)準(zhǔn)化的軟件功能接口以及系統(tǒng)功能。BSW主要包括微控制器抽象層 （Microcontroller Abstraction Layer）、ECU抽象層 （ECU Abstraction Layer）、服務(wù)層 （Services Layer） 以及復(fù)雜驅(qū)動(dòng)層 （Complex Drivers）。BSW每一層均向其上層軟件組件提供服務(wù)，并屏蔽了其下層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

2） 運(yùn)行時(shí)環(huán)境RTE。作為AUTOSAR ECU體系結(jié)構(gòu)的核心組成部分，RTE （Runtime Environment） 不依賴ECU，是最小可運(yùn)行實(shí)體 （Runnable） 的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境。AUTOSAR虛擬功能總線 （Virtual Function Bus，VFB） 的接口 （針對(duì)某個(gè)特定ECU） 的實(shí)現(xiàn)是由RTE完成的，它為應(yīng)用程序軟件組件之間的通信提供基本的服務(wù)。RTE作為基礎(chǔ)軟件層和應(yīng)用層的銜接橋梁，使ECU硬件開發(fā)和軟件開發(fā)分開，因此策略開發(fā)人員可以更專注于軟件功能的開發(fā)。

3） 應(yīng)用層。應(yīng)用層 （Application Software） 代表著汽車電子軟件中最核心的功能，控制功能設(shè)計(jì)都在這一層進(jìn)行。AUTOSAR規(guī)定以軟件組件SWC （Software Component） 的形式表示應(yīng)用層軟件的功能，作為AUTOSAR應(yīng)用軟件最小可以復(fù)用的模塊，一個(gè)或多個(gè)運(yùn)行實(shí)體 （Runnable） 包含在軟件組件之中，而運(yùn)行實(shí)體是軟件中最小的運(yùn)行單元。應(yīng)用軟件由多個(gè)軟件組件集成得到，組件將把行為和功能封裝而僅把端口顯示出來。

1.2 AUTOSAR方法論

AUTOSAR為汽車電子軟件系統(tǒng)開發(fā)定義了一套通用的解決方案，即AUTOSAR方法論［7］。AUTOSAR方法論中不規(guī)定要執(zhí)行哪些活動(dòng)，而且也沒有定義“責(zé)任”和“角色”之類的東西。它既不是商業(yè)模型，也不是完整的過程描述。它只是一個(gè)“工作產(chǎn)品流” （work-product flow），AUTOSAR方法論定義了具有相互依賴性的“工作產(chǎn)品流”中的活動(dòng)。AUTOSAR方法論并不定義何時(shí)執(zhí)行和怎樣迭代，也并不定義整體的時(shí)間線。在不同的精確度上同樣的行為 （即系統(tǒng)配置行為） 會(huì)重復(fù)執(zhí)行，例如第一個(gè)“粗糙”配置和最后一個(gè)“精確”配置在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中依賴于實(shí)際配置甚至是ECU的實(shí)現(xiàn)。

AUTOSAR方法論描述了從系統(tǒng)層配置到ECU可執(zhí)行代碼的設(shè)計(jì)步驟，具體開發(fā)流程如下：①負(fù)責(zé)編寫系統(tǒng)配置輸入描述文件；②系統(tǒng)配置；③提取特定ECU的描述；④ECU配置；⑤生成可執(zhí)行文件。

1.3 AUTOSAR接口類型

AUTOSAR共定義了3種類型的接口：標(biāo)準(zhǔn)接口、標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR接口和AUTOSAR接口，如圖2所示。

圖2 AUTOSAR接口類型

1） 標(biāo)準(zhǔn)接口是用C語言定義的標(biāo)準(zhǔn)API，這些接口可實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)和RTE、BSW模塊和ECU內(nèi)部之間的函數(shù)調(diào)用。

2） 標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR接口包括兩種類型：BSW提供給ASW的服務(wù)接口，整車企業(yè)根據(jù)需要配置的標(biāo)準(zhǔn)接口，其完全由AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3） AUTOSAR接口一方面描述軟件組件與復(fù)雜驅(qū)動(dòng)、ECU抽象層之間提供和獲取的服務(wù)，另一方面描述軟件組件之間提供和獲取服務(wù)、數(shù)據(jù)。此種接口是按照AUTOSAR接口定義規(guī)則來定義的，這些接口中的一部分已經(jīng)由AUTOSAR定義，另外一部分需要整車企業(yè)自定義，通過這些接口實(shí)現(xiàn)了軟件組件在不同ECU上的可重用性。

2 AUTOSAR服務(wù)層設(shè)計(jì)

AUTOSAR的服務(wù)層主要包括通信服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)和系統(tǒng)服務(wù)，如圖3所示。作為基礎(chǔ)軟件中的最高層，服務(wù)層與應(yīng)用軟件之間也具有密切關(guān)聯(lián)。當(dāng)用戶訪問一個(gè)包含ECU抽象層中的I/O接口信號(hào)時(shí)，服務(wù)層提供：①操作系統(tǒng)功能；②車輛網(wǎng)絡(luò)通信及管理服務(wù)；③存儲(chǔ)管理 （NVRAM管理）；④診斷數(shù)據(jù)服務(wù) （主要包括系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)處理、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及UDS數(shù)據(jù)通信）；⑤ECU狀態(tài)管理。

圖3 AUTOSAR服務(wù)層

2.1 系統(tǒng)服務(wù)（System Services）

系統(tǒng)服務(wù)模塊是基于一組同時(shí)可以由所有不同層次管理模塊相互使用的系統(tǒng)功能和管理模塊，包括AUTOSAR OS、診斷事件管理器、診斷通信管理器、BSW模式管理器、開發(fā)錯(cuò)誤跟蹤器、功能禁止管理器、全局時(shí)間軟件模塊、通信管理器、看門狗管理器、ECU狀態(tài)管理器等，提供基本服務(wù)給應(yīng)用和基本軟件開發(fā)模塊，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)服務(wù)

2.1.1 AUTOSAR OS

實(shí)時(shí)應(yīng)用的所有基本服務(wù)由AUTOSAR系統(tǒng)提供，包括調(diào)度、中斷處理、本地消息處理、錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制以及系統(tǒng)時(shí)鐘自動(dòng)同步和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。這些服務(wù)通過使用API將通信層和OS與應(yīng)用連接，它們都隱藏在定義的API之后。

AUTOSAR OS的基本特征包括：①軟件提供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)保護(hù)功能 （包括計(jì)時(shí)、存儲(chǔ)等）；②靜態(tài)配置；③提供基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略；④可宿主在低端控制器上，并且不需要其他資源；⑤能夠推斷實(shí)時(shí)系統(tǒng)性能。

2.1.2 BSW模式管理器

BSW模式管理器 （BswM） 是AUTOSAR BSW軟件中用于控制與切換車輛或應(yīng)用層模式的模塊，其職責(zé)是基于規(guī)則仲裁來自應(yīng)用層SWC或其他BSW模塊的模式請(qǐng)求，并基于仲裁結(jié)果來執(zhí)行動(dòng)作。

BswM的一個(gè)基本功能是它可以描述并分為兩個(gè)不同的任務(wù)：一個(gè)模式控制，一個(gè)模式仲裁。

2.1.3 診斷通信管理器

診斷通信管理器DCM （Diagnostic Communication Manager） 的主要作用之一是確保管理診斷通信狀態(tài)，確保診斷通信數(shù)據(jù)流，特別是確保診斷會(huì)話模式和確保診斷安全狀態(tài)。DCM在把數(shù)據(jù)消息傳送至AUTOSAR SW組件進(jìn)一步處理之前，進(jìn)行診斷消息處理和內(nèi)部檢查。應(yīng)用層中的每個(gè)調(diào)用將根據(jù)診斷服務(wù)的ID請(qǐng)求來自動(dòng)執(zhí)行。

此外，DCM在當(dāng)前會(huì)話模式中診斷服務(wù)的執(zhí)行將根據(jù)診斷狀態(tài)來進(jìn)行判斷，以及檢查是否支持相應(yīng)的診斷服務(wù)請(qǐng)求。

2.1.4 功能禁止管理器

軟件組件和軟件組件功能的控制機(jī)制由功能禁止管理器中FIM （Function Inhibition Manager） 來提供。功能的具體構(gòu)成條件是一個(gè)、多個(gè)或部分的具有相同禁止條件或相同執(zhí)行權(quán)限的可執(zhí)行實(shí)體，通過手動(dòng)修改和重新配置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些功能的禁止，具體可以通過FIM方法實(shí)現(xiàn)。這樣一來，極大地提高了功能在新系統(tǒng)環(huán)境下的適應(yīng)性。

2.1.5 診斷事件管理器

診斷事件管理器DEM （Diagnostic Event Manager） 跟AUTOSAR內(nèi)診斷模塊的功能禁止管理器 （FIM） 和診斷通信管理器 （DCM） 一樣，它本身是一個(gè)子組件，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和處理出錯(cuò)的診斷事件的Freeze Frame數(shù)據(jù)和Extended Data數(shù)據(jù)。例如DCM獲取的所有存儲(chǔ)的DTC （Diagnostic Trouble Code）故障信息都由DEM提供。DEM定義了一種類型可選的過濾服務(wù)，給FIM、DCM和應(yīng)用層提供接口。

2.1.6 開發(fā)錯(cuò)誤跟蹤器

在軟件開發(fā)期間，跟蹤和記錄軟件錯(cuò)誤主要由開發(fā)錯(cuò)誤跟蹤器DET （Development Error Tracer） 來實(shí)現(xiàn)，它本身是一個(gè)輔助工具，用來實(shí)現(xiàn)輔助軟件的開發(fā)和軟件的集成工作。API已經(jīng)明確定義，但在軟件產(chǎn)品的代碼中并不一定都需要包含DET。在特定的軟件測(cè)試和應(yīng)用環(huán)境下，軟件系統(tǒng)開發(fā)人員和軟件系統(tǒng)集成人員可以為API功能選擇最優(yōu)的策略。

2.1.7 全局時(shí)間軟件模塊

全局時(shí)間軟件模塊StbM （Synchronized Time-base Manager） 的功能有兩個(gè)：①提供絕對(duì)時(shí)間值；②同步各個(gè)軟件模塊實(shí)體。

2.1.8 通信管理器

通信管理器，用于實(shí)時(shí)收集并協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)訪問者的請(qǐng)求，主要用于負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信資源的管理。特定的物理通道對(duì)一個(gè)應(yīng)用程序可以使用與否的定義可以用通信管理器通過其定義“通信模式”的方式來進(jìn)行表示，并以此方式來定義諸如只接收、只發(fā)送、不接收也不發(fā)送，接收/發(fā)送等多種使用方式。

2.1.9 看門狗管理器

看門狗管理器的觸發(fā)是基于應(yīng)用軟件的生存狀態(tài)。作為AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)化基本軟件體系結(jié)構(gòu)的基本安全模塊，與軟件計(jì)時(shí)器和約束有關(guān)的應(yīng)用程序執(zhí)行的可靠性由看門狗管理器負(fù)責(zé)監(jiān)控?？撮T狗硬件計(jì)時(shí)約束和應(yīng)用計(jì)時(shí)約束的分離基于分層體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。這樣一來，在觸發(fā)硬件看門狗功能的同時(shí)，對(duì)一些獨(dú)立應(yīng)用的生存監(jiān)控也被看門狗管理器來提供。

2.1.10 ECU狀態(tài)管理器

ECU狀態(tài)管理器可以管理諸如run、off、sleep等ECU內(nèi)部的不同狀態(tài)，此外還會(huì)管理諸如startup、shutdown、wakeup等ECU的不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。它是一個(gè)基本軟件模塊，控制包括系統(tǒng)的AUTOSAR BSW模塊的啟動(dòng)階段。

為了保證能夠同時(shí)啟動(dòng)ECU或?yàn)榱四軌驅(qū)⑵滢D(zhuǎn)換模式到具有備用工作狀態(tài)、休眠工作狀態(tài)等低或高功耗工作狀態(tài)，ECU狀態(tài)管理器必須同時(shí)支持獨(dú)立的預(yù)處理動(dòng)作和過渡。通過ECU狀態(tài)管理器的能力和特性的優(yōu)化使用，電源消耗的預(yù)定義策略就可以通過該模塊來執(zhí)行，ECU的能源管理也就能夠得以有效地實(shí)現(xiàn)。

2.2 存儲(chǔ)服務(wù)

存儲(chǔ)服務(wù)負(fù)責(zé)管理從不同存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)讀/寫非易失性數(shù)據(jù)，由一個(gè)NVRAM管理器模塊構(gòu)成。它提供給應(yīng)用快速讀取，需要一個(gè)RAM鏡像作為數(shù)據(jù)接口。

存儲(chǔ)服務(wù)抽象了存儲(chǔ)位置和屬性，其任務(wù)是為系統(tǒng)提供了諸如數(shù)據(jù)校驗(yàn)、保護(hù)、保存、加載、可靠性存儲(chǔ)等非易失性應(yīng)用數(shù)據(jù)管理機(jī)制，以一種統(tǒng)一的方式向應(yīng)用提供非易失性數(shù)據(jù)。

2.3 通信服務(wù)

通信服務(wù)通過車輛通信網(wǎng)絡(luò)硬件中的抽象與車輛通信驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行連接，用于實(shí)現(xiàn)車輛LIN、CAN、FlexRay等通信網(wǎng)絡(luò)之間通信的一組模塊。通信服務(wù)主要職責(zé)有如下幾個(gè)任務(wù)：①為網(wǎng)絡(luò)管理提供統(tǒng)一的服務(wù)；②可以隱藏放在應(yīng)用程序文件中的應(yīng)用消息文件屬性和應(yīng)用協(xié)議；③為車輛網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的接口以進(jìn)行通信。

3 AUTOSAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)客戶需求，在遵從AUTOSAR規(guī)范的前提下進(jìn)行AUTOSAR服務(wù)層軟件的各項(xiàng)配置工作。現(xiàn)在比較流行的AUTOSAR系統(tǒng)軟件開發(fā)工具主要有使用Bosch公司ETAS的軟件ISOLAR、ElektroBit公司的EB tresos、dspace公司的SystemDesk、Vector公司的DaVinci等［8］。圖5為使用Bosch的ISOLAR軟件進(jìn)行DCM的相關(guān)軟件配置，圖6為DEM的相關(guān)軟件配置信息。

圖5 DCM設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

圖6 DEM設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在RTE、基礎(chǔ)軟件配置和軟件組件設(shè)計(jì)完成后，需要通過開發(fā)工具生成相應(yīng)的可執(zhí)行應(yīng)用代碼和靜態(tài)代碼。之后需要根據(jù)客戶需求，進(jìn)行應(yīng)用層代碼的開發(fā)工作。

4 結(jié)束語

當(dāng)前在汽車電子軟件開發(fā)中AUTOSAR架構(gòu)已經(jīng)被廣泛采用，基于AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)并且通過標(biāo)準(zhǔn)化的BSW 接口進(jìn)行軟件模塊設(shè)計(jì)和接口配置，實(shí)現(xiàn)了底層基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用層軟件的相互獨(dú)立，使軟件有了更好的移植性和可重用性。通過AUTOSAR配置工具生成軟件，代碼一致性好，開發(fā)周期短，提高了軟件開發(fā)的效率，大大降低了成本。本文詳細(xì)闡述了AUTOSAR架構(gòu)方法論中系統(tǒng)級(jí)軟件的開發(fā)方法，可以幫助開發(fā)人員更好地了解AUTOSAR軟件架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，從而能夠促進(jìn)傳統(tǒng)ECU開發(fā)模式和開發(fā)流程向AUTOSAR架構(gòu)開發(fā)的轉(zhuǎn)變?；贏UTOSAR架構(gòu)的軟件開發(fā)以其優(yōu)勢(shì)，必將成為未來汽車電子軟件發(fā)展的方向。