汽車架構(gòu)變化趨勢
在分享中央計算軟件架構(gòu)之前,我們先簡單說明一下汽車架構(gòu)變化趨勢,總的來說,主要包含以下階段: 分布式架構(gòu):ECU 數(shù)量超過 100 個以上,每個 ECU 承擔(dān)相對獨立的功能系統(tǒng)。持續(xù)維護數(shù)量日益增加的 ECU 變得越發(fā)復(fù)雜和費時費力。 功能域架構(gòu):域功能合并后,一方面可以減少 ECU 數(shù)量(縮減芯片和外殼的總體成本)。另一方面,軟件應(yīng)用集中化部署后有利于軟件功能升級和管理。然而,要實現(xiàn)跨域功能的交互,系統(tǒng)設(shè)計依然繁瑣且沒有效率。 中央計算+區(qū)域控制架構(gòu):功能邏輯上移到中央計算,區(qū)域控制器控制數(shù)據(jù)和配電。實現(xiàn)硬件和軟件的解耦,便于軟件快速迭代。
圖-汽車架構(gòu)變化趨勢 中央計算+區(qū)域控制架構(gòu)的核心是分布式計算系統(tǒng),通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用(RPC)實現(xiàn)各個主機之間的資源和算力共享。區(qū)域控制器掌握的是該區(qū)域的控制器與傳感器的硬件資源,以及一定的算力處理邊緣計算。 而中央計算集群擁有高性能計算能力,圖像資源采集,以及接入云端資源的能力。它們之間需要交互才能創(chuàng)造出新的用戶體驗和使用場景,為支持這種分布式計算系統(tǒng),就需要一套強大的 RPC 機制:
互聯(lián)網(wǎng)行業(yè) RPC 框架 - 應(yīng)用級的服務(wù)框架: Dubbo/Dubbox、Google gRPC、Spring Boot/Spring Cloud - 遠(yuǎn)程通信協(xié)議: RMI、Socket、SOAP(HTTP XML)、REST(HTTP JSON)
車內(nèi)中央計算+區(qū)域控制RPC框架 - 應(yīng)用級的服務(wù)框架: 具代表性的如大眾 VW.OS,國內(nèi)外整車廠都已經(jīng)開始了應(yīng)用級服務(wù)框架的定義和設(shè)計。 - 遠(yuǎn)程通信協(xié)議: SOME/IP,DDS,REST,MQTT等輕量級通信協(xié)議 其中 SOME/IP 是專門為車載領(lǐng)域設(shè)計的基于服務(wù)的 RPC 通信協(xié)議,其他幾種協(xié)議在其他行業(yè)已運用。
圖 - RPC通信概覽 上圖出現(xiàn)的 Client, Server 是 RPC 通信的基本元素。一個完整的 RPC 框架,包含了服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)傳輸、序列化等組件,其中“RPC 協(xié)議”就指明了程序如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸和序列化。
圖 - 完整RPC框架 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)文檔中包含了多個 SOME/IP 相關(guān)的文檔。它們是:
SOME/IP Protocol 1.SOME/IP on wire-format (Serialization): -Structure of Header Format -How the different data types are serialized as per SOME/IP 2.Protocol for Event and RPC-based communication -Transport Protocol(同時支持UPD和TCP) -Rules that govern the RPC for SOME/IP
SOME/IP Service Discovery(SD) 1. 定位服務(wù)實例: 2.檢測服務(wù)實例是否在運行(即服務(wù)實例的狀態(tài)) 3.發(fā)布/訂閱行為的管理
SOME/IP Transport Protocal(TP) - 對長數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流控制:
SOME/IP Transformation -填充 SOME/IP Header 和 Payload 的規(guī)則
下圖中SOME/IP Demon管理服務(wù)的注冊,服務(wù)的通信建立和轉(zhuǎn)發(fā)。
圖- SOME/IP RPC框架
中央計算架構(gòu)代理的挑戰(zhàn)
混合算力要求
在自動駕駛和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)需求下,對中央計算算力提出更高的要求,同時傳統(tǒng)的車身,底盤,動力等功能上移,也需要中央計算單元具有實時安全計算的能力。 以下是推功能算力的估算
主動安全與自動駕駛
- NCAP & L2:大于20 TOPS - Auto-Pilot: 大于40 TOPS - RoboTaxi: 大于200 TOPS
車身控制,底盤,動力域總和: - 大于10000 DMIPS
核間高速通信
以下場景使得對核間的數(shù)據(jù)通信需求增加,為核間高速通信,可靠通信提出了要求。
主動安全與自動駕駛:龐大的視覺及雷達(dá)數(shù)據(jù)
大數(shù)據(jù)收集,log & Trace 數(shù)據(jù)
信號與服務(wù)的轉(zhuǎn)換
功能分配
功能組件分布部署在中央計算集群以及區(qū)域控制器上,對以下方面提出要求。
功能合理部署
提高組件復(fù)用性
優(yōu)化組件的相互調(diào)用
中央計算單元發(fā)展路徑
中央計算早期雛形
于2011 年,奧迪 A8就開始了定位于 L3 系統(tǒng)的研發(fā),其核心模塊 ZFAS雖然是自動駕駛控制器,但也可以認(rèn)為它是中央計算的早期雛形。它是異構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu),包含MobiEye EyeQ3,NVIDIA K1, Cycline, Aurix.
圖- Audi ZFAS 在這樣一個典型的異構(gòu)系統(tǒng)中,處理器之間的通信是什么復(fù)雜的,其采用的主要技術(shù)有:
Deterministic 以太網(wǎng) – Time Trigger Ethernet
平臺軟件中間件 – MotionWise Middleware(Communication, Safety, TimeSync, Platform service)
圖- Audi ZFAS異構(gòu)系統(tǒng)概況
異構(gòu)系統(tǒng)的核間通信
異構(gòu)系統(tǒng)的核間通信是個難題,通常情況下會包含 MCU, GPU, FPGA, MPU 系統(tǒng),在它們之間需要保證高性能的實時消息通信,并且要支持面向服務(wù),以及核間互不干擾。 對于每個異構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)的操作系統(tǒng),在它們之間應(yīng)設(shè)計高速核間消息通信的機制,以及通信式樣,典型的有Client-Server 通信式樣。
圖-異構(gòu)系統(tǒng)的核間通信
異構(gòu)系統(tǒng)操作系統(tǒng)
MCU 系統(tǒng),常見的有多核 AutoSAR 軟件架構(gòu),或者使用 MCU Hypervisor 方案。 GPU 系統(tǒng),管道式的軟件架構(gòu)局多,采用 RTOS 之上運行 Runtime, Library,Appliation 的方案。 MPU 系統(tǒng),使用虛擬化方案運行多個 High Level OS,每個 OS 之上運行各自的中間件以及上層應(yīng)用軟件。
圖-異構(gòu)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)
異構(gòu)系統(tǒng)的將來 - 單 SoC 系統(tǒng)
新硬件技術(shù)使得分離的芯片架構(gòu)可以集成到單獨芯片,實現(xiàn)“一顆芯片上的軟件架構(gòu)”。 單 SoC 系統(tǒng)優(yōu)勢:
在不同域和功能分區(qū)之間高效地共享高帶寬數(shù)據(jù)。
更好地利用車內(nèi)資源共享和設(shè)計功能回退機制
更有利于硬件抽象化設(shè)計
減少傳統(tǒng)單體系統(tǒng)的規(guī)模(高集成度,高復(fù)雜性地模塊)
硬件變種減少
減少暴露在外的通信總線,減少信息安全攻擊的路徑
縮小產(chǎn)品尺寸
圖- 異構(gòu)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向單SoC系統(tǒng)
混合關(guān)鍵系統(tǒng)
中央計算架構(gòu)的變化使得多種安全等級的應(yīng)用運行在同一個系統(tǒng)中,特別是單 SoC 系統(tǒng)后,"混合關(guān)鍵性"額外的重要。 “混合關(guān)鍵系統(tǒng)”應(yīng)允許在同一高性能處理器上并行托管 1 個或多個安全關(guān)鍵性功能/系統(tǒng),以及其他不受控制甚至是惡意的功能/系統(tǒng),但絕不會對該安全關(guān)鍵性功能/系統(tǒng)產(chǎn)生任何負(fù)面影響 。 例如娛樂系統(tǒng)中通常會允許安裝用戶自定義應(yīng)用程序,這些應(yīng)用程序?qū)⒊蔀轱L(fēng)險的來源。通常的對策是讓這些應(yīng)用運行在容器定義的沙盒環(huán)境中,對這些應(yīng)用程序僅開放受限制的訪問權(quán)限。
圖-混合關(guān)鍵系統(tǒng) 在功能安全軟件需求的章節(jié)中有提到,不同 Safety Level SWC 組件Co-existence和 Freedom from interference 的問題。 下圖舉例說明了 Interference 的干擾源,及做到 Freedom from interfence 相對應(yīng)的措施。
圖-干擾源及應(yīng)對措施
中央計算單元功能分配
對于單 SoC 方案的中央計算單元,它具備以下能力,這些能力可以指導(dǎo)布局應(yīng)用功能。
將 ASIL-B 到 ASIL-D,具備 FuSa 要求的 SWC,以及 QM 的軟件組件部署在同一個 SoC 系統(tǒng)之上。
核間通信 IPC -信好與服務(wù)的轉(zhuǎn)換
- 數(shù)據(jù)收集(Log & Trace) - 其他各類數(shù)據(jù)交換(OTA, IDS...)
擁有視覺處理能力, 支持 OpenVX, 流水線處理, 圖像并行處理
集成R核 MCU 后,擁有快速應(yīng)用啟動功能,支持集成車身,網(wǎng)關(guān)等功能
A 核可以部署和人機界面,多媒體,互聯(lián)等相關(guān)的應(yīng)用
圖-中央計算單元的功能分配
應(yīng)用示例
在中央計算+區(qū)域控制的架構(gòu)中,有兩種不同的設(shè)計風(fēng)格體現(xiàn),一個是基于服務(wù)的式樣,另一就是基于信號的式樣。 現(xiàn)階段傳統(tǒng)的執(zhí)行器與傳感器仍是基于 CAN/LIN 信號的設(shè)計的,而中央計算單元已可以依照基于服務(wù)的式樣設(shè)計。這兩種不同的設(shè)計風(fēng)格由區(qū)域控制器完成基于信號的世界與基于服務(wù)的世界轉(zhuǎn)換。 以下應(yīng)用示例涵蓋了中央計算單元,區(qū)域控制器,執(zhí)行傳感器的互動過程。 示例需求描述:
當(dāng)啟停開關(guān)按下后,車輛電源模式切換到 ON 檔。
當(dāng)車速大于 5km/h,則執(zhí)行車輛上鎖。
整個執(zhí)行過程如下:
區(qū)域控制器直接采集啟停開關(guān),同時通過 CAN 通信收集車速信號
區(qū)域控制器完成信號至服務(wù)的轉(zhuǎn)換,以服務(wù)的內(nèi)容提供給中央計算單元,之間通過以太網(wǎng)通信。
中央計算之內(nèi)的應(yīng)用之間的接口也是以服務(wù)方式通信,采用操作系統(tǒng)系統(tǒng)的 Local IPC 機制,如 Local Unit Socket。
經(jīng)由上次邏輯處理后,再調(diào)用某區(qū)域控制器提供的服務(wù),如上鎖操作。
最后區(qū)域控制器將上鎖指令轉(zhuǎn)換為 CAN 或者 LIN 的報文,由門模塊執(zhí)行上鎖的操作。
圖-中央計算與區(qū)域架構(gòu)應(yīng)用示例
責(zé)任編輯:彭菁
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原文標(biāo)題:中央計算及其軟件架構(gòu)
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