汽車網(wǎng)絡(luò)" title="汽車網(wǎng)絡(luò)">汽車網(wǎng)絡(luò)的作用已從過去的降低布線成本和減輕重量，向從根本上支持最新汽車功能的實現(xiàn)方面轉(zhuǎn)變。當(dāng)今的車內(nèi)分布式系統(tǒng)已有80多個由多種不同網(wǎng)絡(luò)連接起來的電子控制單元" title="電子控制單元">電子控制單元(ECU" title="ECU">ECU)。在“復(fù)用”(正如網(wǎng)絡(luò)時常被比稱的)初期引入的許多低效做法仍普遍存在。當(dāng)今的挑戰(zhàn)在呼喚新的解決方法。
業(yè)內(nèi)專家表示，在可預(yù)見的將來，汽車上90％的創(chuàng)新將通過電子汽車架構(gòu)實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)是汽車電子工程架構(gòu)的一個主要建構(gòu)元素，因此應(yīng)該予以足夠重視。復(fù)雜的分布式功能的成功實現(xiàn)依賴可靠的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)配置(以成為一個共享資源)的確提出了一個必須在系統(tǒng)級才能解決的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計挑戰(zhàn)
十幾年以來，汽車內(nèi)復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計一直延續(xù)自下而上的工程實現(xiàn)方法，鮮有例外。該方法專注于直接相關(guān)的ECU之間的協(xié)議“資訊”，而把總線上隨機交互行為的影響交由測試解決。“先建構(gòu)再測試”一直是主導(dǎo)性做法。在汽車項目開發(fā)后期發(fā)現(xiàn)的錯誤是昂貴的，而且改正起來風(fēng)險很大，因為它存在引入第二級錯誤的高風(fēng)險性。
當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實踐常常意味著，先實現(xiàn)設(shè)計而后再驗證。這與業(yè)界在任何其它技術(shù)領(lǐng)域的做法(即先驗證、再實現(xiàn))都不同。
時域的可預(yù)測性是實現(xiàn)可靠性和效率目標(biāo)的關(guān)鍵因素。時序要求描述一個功能正確時必須產(chǎn)生的行為。時序行為決定系統(tǒng)將要做什么，換句話說，它表達了系統(tǒng)行為的一種模式。時序要求很關(guān)鍵，它代表著設(shè)計要求以及測試的目標(biāo)。如圖１中所示，時序模型可用于描述整條時序鏈上端至端的不同元素。
時序分析可被施加于時序行為，以產(chǎn)生可與時序要求比對的結(jié)果。已知的時序要求和時序行為都是時序分析的基本前提。
作為一個范例，我們應(yīng)當(dāng)更仔細(xì)地考察一個已經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證的方法學(xué)和工具，即Vehicle Network Architect(VNA)。
Vehicle Network Architect
實現(xiàn)正確時序模型的工具可以最簡單的方式執(zhí)行人工創(chuàng)建的通信矩陣的分析，以計算在總線上發(fā)送的信息的最大時延，并檢查它是否在最低要求之內(nèi)，該最低要求可從汽車功能的端至端時序要求中推導(dǎo)出來。有趣的是，在更高端的應(yīng)用場合，這樣一種工具可根據(jù)輸入文件聲明的要求執(zhí)行完整的簇綜合和網(wǎng)關(guān)配置。該模式提供全自動的幀創(chuàng)建、信號打包和進度表生成。
為了能對設(shè)計師有實際幫助作用，這樣一種工具必須能夠處理車內(nèi)所用的全部協(xié)議，并確保透明的信號傳輸和保證的通過網(wǎng)關(guān)及多個不同總線的端至端時延。
當(dāng)今汽車電子工程系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的網(wǎng)絡(luò)方案是控制器局域網(wǎng)(CAN)和本地互連網(wǎng)(LIN)。為滿足對安全有極高要求的應(yīng)用對更高帶寬的要求，業(yè)界啟動了FlexRay的開發(fā)。在可預(yù)見的未來，這些協(xié)議將共存于車中。這是因為，每個協(xié)議都有特定的應(yīng)用領(lǐng)域，而且它是該領(lǐng)域成本最優(yōu)的解決方案。
系統(tǒng)級設(shè)計
系統(tǒng)級設(shè)計(SLD)常被稱為電子設(shè)計自動化(EDA)的下一個前沿，業(yè)界期望它能給汽車行業(yè)帶來實質(zhì)性的生產(chǎn)力和效率的提高。基于SLD方法開發(fā)出來的解決方案是正確的和經(jīng)過優(yōu)化的，它不再是一種需要對由不同檔次和多個供應(yīng)商組成的供應(yīng)鏈提供的器件進行冗長集成測試的候選方案。
不借助先進工具，就無法實現(xiàn)這一過程。以每家主要OEM采用不同專有解決方案為特征的細(xì)分市場在以前不太適合部署這種產(chǎn)品。為了發(fā)揮 SLD的潛能，并把對EDA行業(yè)的關(guān)注引導(dǎo)到汽車應(yīng)用，需要一個范式轉(zhuǎn)移(paradigm shift)。
AUTOSAR
汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)(AUTOSAR" title="AUTOSAR">AUTOSAR)是一個新興的汽車軟件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。在定義一個帶指定功能和接口的多層軟件架構(gòu)、以及描述配置數(shù)據(jù)的文件格式方面，業(yè)界已做了許多工作。一個詳盡的元模型(metamodel)為它提供了很好的補充，從而為創(chuàng)新性SLD工具的問世鋪平了道路。
VNA回顧
VNA是基于整體概念構(gòu)建的，它為車內(nèi)分布式實時網(wǎng)絡(luò)定義了一個獨立于協(xié)議的設(shè)計方法學(xué)。該概念處理技術(shù)和非技術(shù)實體(即：在開發(fā)階段把責(zé)任分配給完善定義的角色)。愿景是“保證設(shè)計正確性”。大多數(shù)與系統(tǒng)相關(guān)的問題可在項目早期被確認(rèn)和解決。該概念以可保證的信息時延以及基于信號的發(fā)布/訂閱通信模式這兩點為根基。它通過隱藏網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議細(xì)節(jié)提供了抽象，從而允許開發(fā)者工作在以信號、功能和相關(guān)時序信息為素材的應(yīng)用環(huán)境中。
VNA是為支持這樣一個開發(fā)流程設(shè)計的：它以嚴(yán)格的系統(tǒng)工程原則為基礎(chǔ)、以解讀需求為肇始、然后使用戶參與各個階段、最后以實現(xiàn)一個具有完全可預(yù)見時序行為的高度優(yōu)化的設(shè)計為目標(biāo)。明確區(qū)分角色、分派任務(wù)是該工具背后理念的一部分(圖3)。
確切定義網(wǎng)絡(luò)需要大量信息。為支持?jǐn)?shù)據(jù)輸入，VNA采用基于XML的格式、提供對來自第三方工具的自動輸入，它是借助GUI的人工數(shù)據(jù)輸入的一種替代。一個內(nèi)置的多層一致性校驗器對全部數(shù)據(jù)進行校驗。
VNA內(nèi)的工作流程確保所有與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的信息都被收集到。將首先創(chuàng)制全局目標(biāo)，然后它們在幾個項目內(nèi)被重復(fù)使用。VNA用戶與諸如信號/節(jié)點/接口等目標(biāo)類型打交道。用這些目標(biāo)構(gòu)建汽車所用的網(wǎng)絡(luò)。信號由名稱和類型定義，還可附加邏輯或物理編碼信息。對接口的詳盡硬件要求進行定義，從而描述出網(wǎng)絡(luò)的實際節(jié)點。對每個節(jié)點，都對接收和發(fā)射信號進行定義并提供信號的時序要求。該信息是為“全局使用”的，它遍歷不同的車型和平臺等。當(dāng)所用全局?jǐn)?shù)據(jù)都被采集到后，則通過期望的配置把接口連接起來，網(wǎng)絡(luò)就這樣被設(shè)計出來了。
VNA具有很強的項目和衍生項目處理能力。不同配置可選擇性使用或適應(yīng)全局目標(biāo)，例如：可把高端特性從一款低端車型中剝離出來。這意味著具有版本和變異處理能力的VNA可管理多個配置、設(shè)計和發(fā)布。
所有數(shù)據(jù)目標(biāo)，無論是全局的還是針對配置的，都存儲在一個公共數(shù)據(jù)庫中。所有復(fù)雜、費時的VNA操作都傾向于在數(shù)據(jù)庫的本地RAM鏡像內(nèi)完成以縮短響應(yīng)時間。
VNA工具內(nèi)置了豐富的一致性檢查功能。可根據(jù)需要啟動一致性檢查，它通常連續(xù)對用戶輸入進行查驗、當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯誤時立即報警。一致性檢查確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)計遵循全部預(yù)先定義的規(guī)則。
時序分析/框架編譯
為在VNA內(nèi)進行時序分析的開發(fā)和定義進行了許多努力。針對CAN進行的時序分析構(gòu)建在稱為截至期限單調(diào)分析(DMA)的進度模型上，并對在總線上發(fā)送的一組規(guī)定幀的每一幀都進行最壞情況時延計算。該功能的一部分業(yè)已被設(shè)計進一致性檢查算法內(nèi)，但VNA工具的真實效能在幀打包/幀編譯功能中得以充分體現(xiàn)。
幀打包/幀編譯試圖把信號以最適當(dāng)?shù)姆绞椒殖蓭皇菫槊恳粠嬎愫线m的ID，從而確保在流程早期采集到的全部時序要求盡可能被滿足(一些要求可能代表不可預(yù)見的情況)。把多個信號自動分組成幀的作法使數(shù)據(jù)總線的效率更高，因它分?jǐn)偭艘恍┥婕暗絽f(xié)議的開銷，從而降低了總線負(fù)載(圖4)。除帶寬方面的好處外，多信號/每幀和完美的濾波減少了ECU內(nèi)CPU的中斷干預(yù)和工作量。為處理不可配置的留存(carry-over)節(jié)點，可將其附帶的幀定義為“固定”。若需要，還可進行人工幀分組。
網(wǎng)關(guān)
一個網(wǎng)絡(luò)一般包含采用不同協(xié)議的多個網(wǎng)絡(luò)部分。信號可能通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點從一部分傳送到另一部分。數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)流布(即使穿越多個協(xié)議)是由VNA自動配置的。處理一個或多個網(wǎng)關(guān)的時序要求也都由VNA完成。這一解決方案不需任何特殊的網(wǎng)關(guān)硬件。
VNA輸出
VNA自動生成表述整個網(wǎng)絡(luò)的一系列配置文件，以及系統(tǒng)內(nèi)針對每個節(jié)點的專門配置數(shù)據(jù)。利用可配置節(jié)點使系統(tǒng)很靈活，因該概念把依賴應(yīng)用和依賴網(wǎng)絡(luò)的信息分割開。系統(tǒng)集成商對網(wǎng)絡(luò)的改變可容易地施加于汽車且無需非要為ECU重新編譯應(yīng)用軟件。用于控制第三方分析和測量工具的各種文件可作為選項生成。
VNA工具使OEM可容易地與其客戶分享數(shù)據(jù)，對FIBEX和XML等標(biāo)準(zhǔn)的支持進一步簡化了信息共享并為配置第三方通信層打下基礎(chǔ)。
本文小結(jié)
堅持用自動化工具實現(xiàn)確定性調(diào)度明顯提升了可靠性和效能，并使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計變成一種可重復(fù)的流程。因網(wǎng)絡(luò)正確性由設(shè)計把關(guān)，所以剩下的唯一需驗證的工作是對實現(xiàn)正確性本身的驗證。
