作者：

Ronny Schulze，微控制器高速通信負(fù)責(zé)人

Thomas Liebetrau，汽車系統(tǒng)業(yè)務(wù)主要負(fù)責(zé)人

汽車行業(yè)目前面臨著重大挑戰(zhàn)。一方面，車輛管理平臺(tái)的種類正迅速增多，對(duì)可擴(kuò)展性和模塊化開發(fā)的要求也隨之水漲船高。另一方面，部分或全自動(dòng)駕駛以及“聯(lián)網(wǎng)汽車”的發(fā)展趨勢(shì)，要求融入新功能，并構(gòu)建更強(qiáng)大的車載ECU網(wǎng)絡(luò)。而E/E架構(gòu)的復(fù)雜性不斷增加，對(duì)通信技術(shù)的要求也隨之提高。

以太網(wǎng)通信功能作為目前正在開發(fā)的眾多車輛管理平臺(tái)的一個(gè)重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)高度可擴(kuò)展的面向服務(wù)的車輛架構(gòu)的前提。此外，CAN、FlexRay和LIN等經(jīng)典總線系統(tǒng)仍然是架構(gòu)的重要組成部分。對(duì)于這些不同總線系統(tǒng)之間的通信，可以利用集中網(wǎng)關(guān)功能，也可通過跨不同域控制單元的分布式網(wǎng)關(guān)功能來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于此類系統(tǒng)的開發(fā)，支持不同通信系統(tǒng)交互的硬件平臺(tái)已經(jīng)可以在項(xiàng)目早期階段提供有價(jià)值的幫助。英飛凌汽車網(wǎng)關(guān)評(píng)估板就是這樣的平臺(tái)，支持多種不同的網(wǎng)絡(luò)接口。它具有多個(gè)Realtek以太網(wǎng)接口。兩款新一代AURIX? TC397微控制器具備十分強(qiáng)大的計(jì)算能力。這樣就能在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與汽車以太網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的連接 。

汽車架構(gòu)的演變

如今，習(xí)慣上將車輛劃分為多個(gè)功能域（如動(dòng)力總成、安全、車身、信息娛樂、底盤、駕駛輔助等），這些功能域通常獨(dú)立運(yùn)行，并通過獨(dú)立的總線系統(tǒng)相互聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于這些域之間的數(shù)據(jù)交換，需要利用一些通常稱為網(wǎng)關(guān)的功能來完成。網(wǎng)關(guān)可以是一個(gè)獨(dú)立的ECU，也可以是功能單元的一個(gè)組成部分。圖1顯示這種架構(gòu)的一個(gè)示例。

- 圖1 -

汽車制造商的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)通常按照這種功能分類，這有助于域內(nèi)功能的開發(fā)。不過，這種體系結(jié)構(gòu)存在劣勢(shì)，特別是在域之間的交互方面。此外，在向ECU分配功能方面，該結(jié)構(gòu)過于僵化，缺少靈活性。新功能通常需要自己的ECU；汽車供應(yīng)商通常會(huì)開發(fā)軟硬件結(jié)合的黑盒式解決方案。這種結(jié)構(gòu)將限制一個(gè)高冗余系統(tǒng)的模塊化和可擴(kuò)展化。

不過，功能復(fù)雜性的日益增加，要求更強(qiáng)大的功能聯(lián)網(wǎng)、更高的可擴(kuò)展性和新功能的快速實(shí)施。因而，可擴(kuò)展的分層結(jié)構(gòu)能更好地契合這些需求。圖2顯示這種變化的原理。

- 圖2 -

這一架構(gòu)演進(jìn)的第一步已經(jīng)在面向新的車輛管理平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。將車輛劃分為多個(gè)域的做法仍將保留，但現(xiàn)在支持更集中的計(jì)算能力。強(qiáng)大的域控制器集成許多功能，所需的計(jì)算能力顯著提高。一些制造商將通過層級(jí)結(jié)構(gòu)中額外的ECU來組合諸多功能。在這種架構(gòu)的較低層級(jí)，ECU結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生如此根本變化。制造商標(biāo)準(zhǔn)ECU可用于此方法；車輛的更新程度仍是可控的。圖3顯示這種架構(gòu)的一個(gè)示例。

圖3 -

中央網(wǎng)關(guān)充當(dāng)域之間的接口以及用于連接外部世界的“連接網(wǎng)關(guān)”。另外，在計(jì)算層，圖中所示的域控制器也需要網(wǎng)關(guān)功能。

關(guān)于架構(gòu)的下一步演變正在討論中，這要求對(duì)車輛制造商的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行更徹底的變革和可能性調(diào)整。區(qū)域的定義是，區(qū)域會(huì)根據(jù)功能在車輛中的位置對(duì)其進(jìn)行組合。不再將區(qū)域控制單元固定分配給原始域；這樣的ECU可能會(huì)在一個(gè)盒子中涵蓋各種功能。博世于2016年提出了該架構(gòu)的基本理念。一些著手研究其實(shí)施應(yīng)用的汽車制造商正在開展相關(guān)項(xiàng)目。第一個(gè)實(shí)施項(xiàng)目可回溯到2019年2月 ［2］。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是顯著減少了布線工作量，這對(duì)線束的重量和成本都有積極影響。不過，引入這種架構(gòu)的開發(fā)工作量要大得多；我們預(yù)計(jì)，在下個(gè)十年中期之前主要汽車制造商不會(huì)實(shí)施。

以太網(wǎng)在汽車網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

朝著由區(qū)域界定的通信結(jié)構(gòu)邁進(jìn)的上述演變進(jìn)程都預(yù)先假定：數(shù)據(jù)在車輛內(nèi)高速分布和傳輸［2］。許多應(yīng)用需要確定性行為，即可預(yù)測(cè)的延遲。汽車以太網(wǎng)帶來一種可能的解決方案。通過100Base-T1和1000Base-T1的低成本雙絞線進(jìn)行以據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)確定性行為，以太網(wǎng)提供了多種TSN（時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)）標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于TSN協(xié)議的應(yīng)用也帶來了一些挑戰(zhàn)；目前尚不清楚車輛制造商將使用哪種相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。多數(shù)情況下，這些標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)合軟硬件解決方案來實(shí)現(xiàn)時(shí)間受控的、確定性數(shù)據(jù)傳輸。為保證整個(gè)車輛網(wǎng)絡(luò)中的確定性數(shù)據(jù)傳輸，所有ECU都需要具備這一功能。它適用于帶AUTOSAR軟件組件的嵌入式微控制器、支持Linux操作系統(tǒng)的微處理器，以及集成CPU的以太網(wǎng)交換機(jī)。因此，未來軟件的復(fù)雜性將持續(xù)增加，這將對(duì)汽車零部件制造商構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。

如今，經(jīng)典的CAN 2.0、CAN-FD、LIN和FlexRay等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)開始逐步連接到基于以太網(wǎng)的ECU。這些連接需要在所謂網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)由軟件實(shí)施的協(xié)議轉(zhuǎn)換。最初，在這樣的網(wǎng)關(guān)中，CAN數(shù)據(jù)包的傳輸是通過以太網(wǎng)進(jìn)行的。在這種情況下，正在討論將現(xiàn)有信號(hào)遷移到面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）。

合適的硬件平臺(tái)有助于研究處于早期開發(fā)階段的新型通信結(jié)構(gòu)。它們可以帶來進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證的無數(shù)可能，以便將創(chuàng)新結(jié)構(gòu)安全可靠地集成于未來的車輛平臺(tái)。

英飛凌汽車網(wǎng)關(guān)平臺(tái)

憑借首個(gè)汽車網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，英飛凌提供了一個(gè)開發(fā)平臺(tái)用于測(cè)試基于以太網(wǎng)的新型車輛系統(tǒng)。它具有一個(gè)可擴(kuò)展的模塊化系統(tǒng)，緊跟車輛通信當(dāng)前趨勢(shì)。來自Realtek的一臺(tái)汽車以太網(wǎng)交換機(jī)提供五個(gè)汽車用100Base-T1以太網(wǎng)端口。AURIX? TC397具有強(qiáng)大的多核架構(gòu)，通過1Gb/s以太網(wǎng)接口連接到交換機(jī)，并支持多種協(xié)議：

· 音頻視頻廣播（AVB）協(xié)議（IEEE1722標(biāo)準(zhǔn)）

· 精確時(shí)間協(xié)議（PTP）（IEEE802.1AS標(biāo)準(zhǔn)）

· 基于信用和時(shí)間的整形器（IEEE802.1Qav/Qbv標(biāo)準(zhǔn)）。

連接到交換機(jī)的另一個(gè)1Gb/s以太網(wǎng)端口用于接入標(biāo)準(zhǔn)IT網(wǎng)絡(luò)。該平臺(tái)具有12個(gè)CAN-FD通道、4個(gè)FlexRay通道和4個(gè)LIN通道，可提供一系列通信選項(xiàng)。

- 圖4 -

第二個(gè)AURIX?微控制器提高了性能，并服務(wù)于一些經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（CAN 2.0、CAN-FD、LIN和FlexRay）。兩個(gè)組件都通過兩條320 Mbit/s高速串行接口（HSSL）連接。這是一種簡(jiǎn)便快捷的處理器間通信方式，可以在兩個(gè)AURIX?設(shè)備的CPU之間交換數(shù)據(jù)。

圖5顯示該模塊的框圖。除上述通信接口外，還提供TPM 2.0模塊（可信平臺(tái)模塊）。因此，該開發(fā)平臺(tái)能支持車輛通信中最熱門的話題之一：汽車安全。開發(fā)人員可以利用各種機(jī)制來確保實(shí)現(xiàn)車輛網(wǎng)絡(luò)中的安全通信：

· 實(shí)施基于以太網(wǎng)的協(xié)議，如TLS/DTLS或MACsec

· SecOC用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)典車載網(wǎng)絡(luò)（如CAN-FD）的擴(kuò)展安全

· 硬件安全模塊（HSM）作為AURIX TC3x系列的一部分，支持汽車標(biāo)準(zhǔn)“Evita Full”

· 英飛凌推出的TPM 2.0（可信平臺(tái)模塊）通過SPI連接到其中一個(gè)AURIX微控制器

- 圖5 -

由AURIX微控制器及其HSM支持的典型網(wǎng)關(guān)用例，包括防火墻、流量整形、無線安全軟件更新、入侵檢測(cè)和防御系統(tǒng)（IDPS）和安全車載通信（SecOC、TLS、IPSec）。

TPM是一種安全加強(qiáng)的可信平臺(tái)模塊（TPM），它基于支持防篡改微控制器的全球標(biāo)準(zhǔn)，采用先進(jìn)安全技術(shù)。TPM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一系列功能，其中包含100多個(gè)支持生成、存儲(chǔ)和使用加密密鑰及安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)的功能。了解在汽車應(yīng)用中使用TPM的詳情，請(qǐng)參閱［3］。

展望

車輛架構(gòu)的演變將在未來幾年持續(xù)進(jìn)行。基于域的可擴(kuò)展架構(gòu)是具有現(xiàn)代功能和高度連接性的車輛的基礎(chǔ)。緊隨其后的是基于區(qū)域的架構(gòu)，盡管在實(shí)施方面存在一些挑戰(zhàn)，但可以節(jié)省成本和減輕重量。因此，英飛凌汽車網(wǎng)關(guān)平臺(tái)將在未來繼續(xù)發(fā)展。英飛凌將與來自汽車行業(yè)的合作伙伴討論更多平臺(tái)，以便能夠在快速發(fā)展的車輛通信領(lǐng)域開發(fā)特定應(yīng)用。這將有助于在早期階段分析未來趨勢(shì)，以準(zhǔn)備相應(yīng)的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Martin Hiller、Volvo Cars：Towards a central computing architecture for in-vehicle E/E systems（朝著面向車載E/E系統(tǒng)的中央計(jì)算架構(gòu)邁進(jìn)）；2019年慕尼黑汽車以太網(wǎng)大會(huì)

［2］ Helge Zinner等：Automotive E/E Architecture evolution and the impact on the network（汽車E/E架構(gòu)演變及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響）；IEEE802全體會(huì)議，溫哥華，2019年3月，802.1 TSN

網(wǎng)址：http://ieee802.org/1/files/public/docs2019/dg-zinner-automotive-architecture-evolution-0319-v02.pdf，2019 年 8 月 13 日訪問的網(wǎng)頁(yè)

［3］ Florian Schreiner、Andreas Fuchs：Enabling TPM 2.0 with an open source software stack for industrial and automotive applications（啟用針對(duì)工業(yè)和汽車應(yīng)用的支持開源軟件堆棧的TPM 2.0）；2019年紐倫堡嵌入式世界展