前言:
汽車的智能化和軟件化,就像一個巨大的漩渦,吸引著各方勢力卷入其中。就像上一篇文章提到的一樣,在大家構(gòu)建軟件能力過程中,一些危機也正在醞釀之中,在缺乏良好設計的框架下,一旦進入正常的車型迭代,就會被以前歷史的版本束縛住手腳。
我構(gòu)思了很久,想以一種比較簡明扼要的方式,展現(xiàn)出整個數(shù)字系統(tǒng)架構(gòu)的全貌?;撕荛L的時間去梳理,終于有了下面這張圖,現(xiàn)在看來,這是所有文章里面我最滿意的一張圖了,從整車的視角,展現(xiàn)出了如何去構(gòu)建新一代整車數(shù)字化平臺。 其實這也是一張作戰(zhàn)地圖,未來幾年,群雄逐鹿,各方勢力都將圍繞地圖中的各個主題進行展開。這張圖比較清楚的展示出了如何去構(gòu)建一個軟件、硬件、車型平臺相互解耦的系統(tǒng)。
full stack architecture 這張圖是以A4紙的尺寸來進行繪制的。 畫這張整體架構(gòu)圖,其實有以下幾個目的:
技術(shù)在這場變革中很重要,但是不是最關鍵的,從全局的角度去思考打造體系化的能力,首先必須知道要做的事情是什么。
對于產(chǎn)業(yè)鏈上的朋友來講也可以理解,究竟OEM客戶需要什么,自己所提供的產(chǎn)品,扮演了什么樣的角色。
對于投資圈朋友來講,參考這張圖可以了解到,感興趣的投資標的究竟處在什么樣的行業(yè)位置當中,想解決什么樣的問題,未來想發(fā)展成什么樣。
新平臺的開發(fā),技術(shù)鏈路非常長且復雜,所以我非常希望看到產(chǎn)業(yè)鏈上的各個環(huán)節(jié)能夠形成合力。在這次變革當中,能夠幫助到各方玩家,更快的完成架構(gòu)的升級和轉(zhuǎn)型。
整個工程就像一個龐大的戰(zhàn)役,如果各方都能清楚,自己在這個戰(zhàn)役當中的位置,作為執(zhí)行者來講,也能夠發(fā)揮自己的主觀能動性,去更加積極主動的解決相關問題,也能知道如何去配合上下游開展工作。
架構(gòu)總覽
整個架構(gòu)可以總結(jié)為“6+4”:6層邏輯架構(gòu)構(gòu)建起了一個軟硬解耦的系統(tǒng);4層服務架構(gòu)完成了服務的抽象與適配,建立了一個標準化的服務體系;六層邏輯架構(gòu)包括:
可拓展硬件計算平臺
操作系統(tǒng)內(nèi)核
分布式服務中間件
標準化服務層
可編排應用層
這6層的架構(gòu)設計,實現(xiàn)了軟件、硬件、車型平臺相互解耦,之前也介紹過可能會碰到的軟件危機,而良好的架構(gòu)設計是解決這其中很多問題的關鍵??偨Y(jié)下來,可以體現(xiàn)為以下幾點:
基于標準服務的開發(fā),能夠提高應用的迭代速度,讓產(chǎn)品經(jīng)理更加深入的介入產(chǎn)品的開發(fā)過程。
分層的架構(gòu)設計,便于進行分層測試與驗證,減少集成測試的壓力,問題發(fā)現(xiàn)的更充分,也能夠提高版本發(fā)布的速度。
便于形成產(chǎn)品線和平臺線的分工,產(chǎn)品線負責具體車型項目,平臺線,負責構(gòu)建技術(shù)中臺。
可拓展的硬件計算平臺,可以兼容多種傳感器和外部設備,同時支持芯片和硬件的可升級。
可拓展的計算通信架構(gòu),可以加快車型開發(fā)的速度,平臺能夠快速地適配到新的車型之上,分層的結(jié)構(gòu),把車型之間的差異化縮到最小,能夠減少后期多產(chǎn)品線維護的壓力。
1. 可拓展計算與通信架構(gòu)
主要目的是,提供一個與車型無關的統(tǒng)一平臺,在此之上構(gòu)建的所有車型都將采用統(tǒng)一架構(gòu)??赏卣怪醒胗嬎闫脚_與模塊化Zonal Controller 是構(gòu)建這個標準電子架構(gòu)的核心。中央計算單元將整合自動駕駛,智能座艙和車輛控制三大域的核心業(yè)務功能,標準化的區(qū)域控制器主要有三個職責:
電力分配
數(shù)據(jù)服務
區(qū)域網(wǎng)關
所謂的標準化區(qū)域控制器,是指所有的Zonal Controller都采用相同的硬件設計,擁有相同的IO接口??梢愿鶕?jù)車型的需要靈活的去配置三個,四個,甚至更多的區(qū)域控制器,以滿足不同車型對于拓展性的要求。
central+zonal 中央計算單元與區(qū)域控制器之間都會采用高速以太網(wǎng)相互連接。因此,中央計算單元將會集成一個高吞吐量的以太網(wǎng)交換機。為了滿足車輛控制實時性的要求,核心網(wǎng)將會采用如TSN等的可靠通訊技術(shù)。在區(qū)域控制器下的局域網(wǎng)內(nèi),傳統(tǒng)的CAN、Lin等通訊方式將會繼續(xù)存在。局域網(wǎng)內(nèi)可以以傳統(tǒng)的信號的方式進行通信,在核心的以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡中,將會以服務的方式進行數(shù)據(jù)之間的交互,就需要如DDS等通信中間件。 隨著整車集成化的程度越來越高。越來越多ECU的功能將會慢慢的被吸收到區(qū)域控制器當中。所以,區(qū)域控制還同時承擔,整車硬件抽象的重要職能,這一塊在介紹服務層中的原子服務時會詳細說明。 概括來講,可拓展的電子架構(gòu)就是要屏蔽車型之間的硬件差異。不管采用多少個區(qū)域控制器組成的通訊網(wǎng)絡,其相互之間的通訊模式,都遵守同樣的規(guī)則。同時區(qū)域控制器也承擔其局域網(wǎng)內(nèi),ECU功能的抽象之責。
2. 可拓展中央計算平臺
中央計算平臺需要擁有統(tǒng)一的傳感器及外設接口,同時需要能夠兼容各家的芯片產(chǎn)品。隨著整車智能化的提高,越來越多的芯片玩家進入到了車載芯片領域,在此之前,車載芯片的迭代速度非常慢,然而最近幾年,車載芯片的迭代速度越來越快,各種高性能的芯片層出不窮。 如果每次換芯片都要進行換骨手術(shù),對整個技術(shù)架構(gòu)進行重構(gòu),會極大的拖慢新產(chǎn)品的開發(fā)速度。目前來看,車載芯片的發(fā)展速度,正在向消費電子靠近,消費電子領域基本是一年一代芯片。車載領域雖然稍微慢一點,但是升級換代的訴求也非常強烈。 關于中央計算單元的架構(gòu)方式,之前的文章已專門做過闡述,有三種方式:分離SOC、硬件隔離、軟件虛擬化,詳細可參考這篇文章,《中央計算單元架構(gòu)》
總結(jié)下來,中央計算平臺需要擁有統(tǒng)一的傳感器及外設接口,同時能夠支持芯片的升級,其最終目的就是要實現(xiàn)在車生命周期內(nèi)的硬件可升級,從而延長汽車的智能化生命周期。
3. 操作系統(tǒng)內(nèi)核
關于操作系統(tǒng)的概念,之前的文章已經(jīng)辨析過。目前各種操作系統(tǒng)的概念滿天飛,但大部分都只是操作系統(tǒng)中間件。由于車輛的復雜性以及對于實時性的要求,沒法用一個操作系統(tǒng)來統(tǒng)一所有的應用場景。這并不是一個軟件問題,在此不做過多闡述,詳細參考這篇文章,《軟件定義汽車-概述》 在操作系統(tǒng)內(nèi)核層面,最主要的就是要滿足實時性的要求,能夠保證系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。如果需要采用虛擬化的方案,很多虛擬化的工作也需要在這一層展開。這塊不是車廠的強項,也不是能夠體現(xiàn)產(chǎn)品差異化的地方。因為無論用誰家的,其實現(xiàn)的功能都非常相似。所以沒必要車廠單獨去開發(fā)一個內(nèi)核,本身很多生態(tài)的建設靠車廠也無法完成,這個工作交給科技公司去做就好了,有很多成熟的可選的方案。 在上面的圖中,也有一種類型的系統(tǒng)叫OS for MCU,最典型的就是Classic AutoSAR。從這個整體架構(gòu)圖當中,大家也可以看到,它的生與死其實根本就不關鍵。因為它只是整個計算系統(tǒng)當中非常小的一塊兒。所有的代碼量加起來也就幾兆大小,對它的需求是成熟穩(wěn)定,可用即可。在中央計算架構(gòu)下,以太網(wǎng)是核心的通信方式,傳統(tǒng)的MCU的網(wǎng)絡管理、CAN通信、診斷等功能,將會被中央計算單元所吸收。未來中央計算單元的MCU承擔的最主要的職責可能是電源管理。
4. 分布式服務框架
很多人也把這層稱為XX.OS,其本質(zhì)上是一個操作系統(tǒng)中間件。其最核心的作用,就是提供一個分布式的計算和通信框架。對下屏蔽各類操作系統(tǒng)內(nèi)核的差異,對上提供統(tǒng)一的服務開發(fā)框架。 其主要包含服務管理、網(wǎng)絡管理、通信管理、升級、診斷、日志、狀態(tài)等。Adaptive Autosar和ROS就是典型的分布式服務開發(fā)框架,此類中間件都是解決通用的技術(shù)問題,實質(zhì)上也不是車廠的核心競爭力,當然有余力的也可以選擇自己開發(fā),詳細可以參考這篇文章,《SOA基礎軟件框架與參考實現(xiàn)》
5. 標準化服務層
也有很多人把在這層也稱之為XX.OS,其主要目的是把車上,硬件功能抽象為各種服務,并且進行分類分層,為上層應用提供良好的開發(fā)SDK。在上圖的架構(gòu)中,分為四層設計:
最下層是服務的適配層,運行在Zonal Controller之上,將對局域網(wǎng)內(nèi)的ECU功能進行抽象化處理,面向具體車型的信號進行適配。
服務適配層向上對接的是原子服務,指的是硬件的一些基本功能,比如傳感器、電機控制、門窗、車燈等,最基本一些操作。
在原子服務之上是邏輯服務,也稱為組合服務,里面有一定的判斷邏輯存在。比如打開車門,打開車燈,并不是在任何狀態(tài)下都無條件執(zhí)行,需要判斷很多條件。
在邏輯服務之上是業(yè)務服務,和各域的功能聯(lián)系的比較緊密。
服務的抽象也有一些方法論可以遵守,可以從原來ECU的信號出發(fā),從下往上梳理,形成一系列原子服務。另外就是從業(yè)務功能出發(fā),從上往下梳理,形成一系列的邏輯服務和業(yè)務服。關于SOA分類分層的介紹,可以參考這篇文章,《面向服務的架構(gòu)設計》。 我想強調(diào)的是,服務層的設計其實是車廠的關鍵能力,因為無論是服務中間件還是操作系統(tǒng)內(nèi)核,很多的Tier1都可以去做,因為這些都是一個純技術(shù)性的通用工作。但是服務層的設計只有OEM廠商才能夠做。因為任何Tier1都只能接觸到其中的一部分,所以沒法從全局的角度去設計整個服務的框架,而這一層最大的作用就是,提供一些靈活可重組的基礎服務,以供上層應用場景的快速實現(xiàn)。為產(chǎn)品功能的快速迭代打下了很好的基礎。
6. 可編排應用層
在服務層之上就是各域的應用功能,此處的“域”只是一個虛擬的概念,因為在中央計算的架構(gòu)下,各域之間已經(jīng)沒有了明顯的物理邊界,邏輯上可以劃分為以下四個:
自動駕駛
智能座艙
車輛控制
智能天線
前面幾個都有過介紹,所謂的智能天線,其實就是集合了所有的與外界通信的功能,如BT、WIFI、NFC、V2X、5G等等。 一個產(chǎn)品的功能往往都是需要,各域的相互配合才能實現(xiàn)的,在之前的技術(shù)架構(gòu)下,產(chǎn)品經(jīng)理很難介入到整個產(chǎn)品功能的開發(fā)周期當中。因為技術(shù)架構(gòu)過于復雜,更多情況下是系統(tǒng)工程師在主導。所以把服務層做厚,把應用層做薄,把底層架構(gòu)做充分的解耦,可以讓產(chǎn)品經(jīng)理很深入的介入到產(chǎn)品功能的設計開發(fā)當中。 此時產(chǎn)品功能的開發(fā)已經(jīng)不需要去關心底層中間件、操作系統(tǒng)、硬件、電子架構(gòu)的的影響?;诜諏犹峁┑腟DK可以快速的開發(fā)出產(chǎn)品所需要的功能,這也是未來智能座艙和自動駕駛等產(chǎn)品功能快速迭代的一個技術(shù)基礎。
結(jié)語
同樣一個問題,有多種解決的途徑,分析下來會有多種解決方案。但是需要做的事情分分類,也都殊途同歸。所以右邊的文字部分詳細的列出了各塊兒需要做的事情,可以供大家參考。每一個點都是非常龐大的主題,要講清楚,需要花很長的篇幅。后續(xù)有機會我們將圍繞這些工作,進行更加細致的闡述。 很多人也在問,有沒有一些書或者成熟的方案可以借鑒,很難有,因為這是一個很新的領域,很多時候需要去創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)鏈上沒有的東西,所以正向的研發(fā),正向的思考是非常關鍵的。一切從問題出發(fā),正向去思考,分析解決這些問題的途徑,自然而然的會形成一種比較一致的判斷。技術(shù)方案其實是一個非常客觀的東西,大家可以理性的去分析,也歡迎大家反饋自己的想法。 本來是準備寫關于芯片定制化的一些思考,但是如果不解釋清楚整個技術(shù)架構(gòu),講芯片的定制化可能會讓大家感到疑惑。其實在設計中央計算單元的時候,最大的挑戰(zhàn)就是可用的芯片。目前沒有一款芯片能夠同時滿足幾大功能域的要求,只能用多個芯片拼起來。半導體行業(yè)其實已經(jīng)有了從晶元級別去集成多個芯片的能力。下一期我們可以仔細聊聊這個話題。
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原文標題:軟件定義汽車 (第十集):決戰(zhàn)架構(gòu)之巔
文章出處:【微信號:QCDZYJ,微信公眾號:汽車電子工程知識體系】歡迎添加關注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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