如何去構(gòu)建一個軟件、硬件、車型平臺相互解耦的系統(tǒng)

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：

可拓展電子電氣架構(gòu)，也叫計算與通信架構(gòu)

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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