AUTOSAR技术概述

1、AUTOSAR技术概述摘要：对由应用软件组件(SW-Cs)、虚拟功能总线/运行时环境(VFB/RTE)和电控单元(ECU)基础软件(BSW)栈构成 的AUTOSAR分层架构,由软硬件组件的形式描述构建汽车E/E系统架构的AUTOSAR方法学,以及AUTOSAR的进展和应用前景进行了较为全面的分析,并为我国相关企业实施AUTOSAR标准提出了在多方协作基础上分阶段逐步引入以减小风险的建议。关键词 汽车 AUTOSAR 软件架构 方法论 应用接口1 AUTOSAR技术 电子技术的发展为汽车技术的创新带来了前所未有的机遇和挑战:一方面,电子技术在提高汽车传统性能的同时亦扩展了其功能,从汽车各个子系统

2、的控制到车载信息娱乐装置,电子技术的应用几乎无处不在;另一方面,网络化电子装备的增多也使汽车电器/电子(E/E)系统的复杂度呈指数增长。如何有效管理日趋复杂的汽车E/E系统,并最大限度地降低开发和维护成本,已成为全球汽车电子相关企业需要解决的共性问题。传统的电控单元(ECU)驱动的开发模式,已难以适应汽车E/E系统复杂性管理、产品灵活修改、升级和更新、解决方案在产品线内外扩展,以及E/E系统质量和可靠性提高的要求,将逐渐为功能驱动的、面向架构集成的开发模式所取代。本文较为全面地分析了汽车E/E系统开发新标准AUTOSAR(AUTomotive Open System AR-chitecture

3、)的技术、进展、应用前景,并对我国实施AUTO鄄SAR标准提出了建议,供国内汽车E/E系统研发人员参考。 AUTOSAR（汽车开放系统架构），汽车开放系统架构联盟是由全球汽车制造商、部件供应商及其他电子、半导体和软件系统公司联合建立，各成员保持开发合作伙伴关系。自2003年起，各伙伴公司携手合作，致力于为汽车工业开发一个开放的、标准化的软件架构。AUTOSAR这个架构有利于车辆电子系统软件的交换与更新，并为高效管理愈来愈复杂的车辆电子、软件系统提供了一个基础。此外，AUTOSAR在确保产品及服务质量的同时，提高了成本效率。 AUTOSAR的计划目标主要有3项，第一是建立独立于硬件的分层的软件架

4、构；第二是为实施应用提供方法论，包括制定无缝的软件架构堆叠流程并将应用软件整合至ECU中；第三是制定各种车辆应用接口规范，作为应用软件整合标准，以便软件构件在不同的汽车平台上的复用。1、 1 AUTOSAR软件架构 为了实现AUTOSAR的目标，即实现应用程序和基础模块之间的分离，汽车电子软件架构被抽象成几个层，如图1所示。图1：AUTOSAR软件架构层次图为了区别软件依赖和硬件依赖，基础软件分为四个层次：服务层（Services Layer）、ECU抽象层（ECU Abstraction Layer）、微控制器抽象层（Microcontroller Abstraction Layer）和RT

5、E（Runtime Environment）。除此四层外，在AUTOSAR软件架构中还有复杂驱动（Complex Driver），由于对复杂传感器和执行器进行操作的模块涉及到严格的时序问题，在AUTOSAR中这部分没有被标准化。* 服务层提供包括诊断协议、存储管理、ECU模式管理和操作系统等在内的系统服务。除了操作系统外，服务层的软件模块都是与平台无关的。* ECU抽象层将ECU结构（如外设与ECU的联接方式等）进行了抽象处理。该层与ECU平台相关，但与微控制器无关。* 微控制器抽象层包括微控制器相关的驱动（如I/O驱动、ADC驱动等）。* RTE层负责AUTOSAR软件构件（即应用层）相互间

6、的通信以及软件构件与基础软件之间的通信。RTE层之下的基础软件对于应用层来说是不可见的，必须通过RTE进入，它将软件构件从对底层软件和硬件平台的依赖中独立出来，实现了应用程序和基础软件之间的分隔。1、2 AUTOSAR方法论AUTOSAR为符合该标准的汽车电子软件系统开发过程定义了一套通用的技术方法，这种方法即被称为AUTOSAR方法论（AUTOSAR Methodology）。汽车OEM作为整车系统功能的规划和设计者，需要了解并掌握AUTOSAR提供的这套开发流程，才能主导和推进符合AUTOSAR标准的系统的开发过程。兼容AUTOSAR标准的汽车电子软件系统设计与开发流程如图2所示。图2：A

7、UTOSAR系统设计与开发流程主要步骤可划分两个阶段：第一个阶段是系统配置阶段，这属于系统级设计决策工作。首先是编写系统配置输入文件，为XML类型的文件。应用软件的描述术语在AOTUSAR中为软件构件（Software Components），该文件将确定需要使用的软件构件（即系统具有哪些功能）和硬件资源（ECU），以及整个系统的约束条件。AUTOSAR提供了一系列的模板（软件构件模板，ECU资源模板和系统模板）和标准的信息交换格式，工具供应商可据此提供相应的工具支持，从而简化系统设计的工作，最终系统设计者只需要使用工具填充或编辑相应的模板即可导出系统配置输入文件。系统配置输入包含三部分内容，

8、第一个输入是软件构件描述，定义每个需要的软件构件的接口内容，包括数据类型，端口，接口等；第二个输入是ECU资源描述，定义了每个ECU的资源需求，如处理器、外部设备、存储器、传感器和执行器等；第三个输入是系统约束描述，定义总线信号，拓扑结构和软件构件的映射关系。系统配置阶段接下来的工作是将初步获得的系统配置输入文件借助系统配置生成器生成系统配置描述文件，同样为XML文件，这是系统配置阶段的最终工作成果。该文件将包含所有的系统信息，包括将软件构件映射到相关的ECU上（这种映射需要考虑到构件的需要、构件的连接、资源需求以及约束条件，有时也需要考虑成本等方面的因素），以及通信矩阵（整车的网络结构、时序

9、以及网络数据帧的内容）。第二个阶段是ECU的配置，这阶段的工作需要对系统中每个ECU分别进行。首先是使用第一个阶段的工作成果系统配置描述文件，从中提取出与各个ECU相关的系统配置描述信息，提取的信息包括ECU通信矩阵、拓扑结构、顶级功能组合（据此产生需映射到该ECU上的所有软件构件），将放在另一个XML文件中。提取信息的工作可借助工具完成。然后进入ECU配置的实际工作中，这一步负责往输入对象中添加具体应用所必需的信息，如任务调度、必要的BSW模块、BSW配置信息、给任务分配的可运行实体等。这一步的结果被放在ECU配置描述文件中，它包含了具体ECU所需的所有信息。最后一步是生成具体ECU的可执行

10、程序，此步将根据ECU配置描述文件中的配置信息构建完成ECU的基础软件的设置和与基于AUTOSAR构件的应用软件的集成，最终生成ECU的可执行代码。此外，要说明的是，AUTOSAR系统的设计过程使用了虚拟功能总线（Virtual Functional Bus）的概念。虚拟功能总线（Virtual Functional Bus）将AUTOSAR软件构件相互间的通信以及软件构件与基础软件之间的通信进行了抽象，同时使用预先定义的标准接口。而对于虚拟功能总线来说，ECU内部通信和外部总线通信并没有什么区别，这种区别要等到系统布局以及ECU的具体功能最终确定才会体现出来。软件构件本身对于这种区别并不关注

11、，因此我们可以在独立的情况下开发软件构件。在系统实现过程中，虚拟功能总线所代表的功能最终以RTE的生成来体现。1、3 标准化的应用接口通过RTE实现AUTOSAR软件构件（即应用程序）相互间的通信以及软件构件与基础软件之间的通信的前提是，软件构件必须具有标准的AUTOSAR接口。目前，AUTOSAR 3.1版已定义了一些典型的汽车电子应用领域（动力，车身/舒适和底盘）的标准接口。AUTOSAR按照功能逻辑分别将这些领域的系统划分成若干个模块，这些模块可被视为一个软件构件或多个软件构件的组合，这些功能性的软件构件的接口被明确定义，所定义的接口的内容包括名称，含义，范围，数据类型，通信类型，单位等

12、。应用软件开发者在软件构件的设计与开发时需要应用这些接口定义。这里以车身/舒适系统的雨刷管理的软件构件的接口定义为示例，如图3：图3：软件构件的接口定义说明：雨刷管理构件（WiperWasherManager）有两个接口，CmdWashing 和StaWasher,图中WWManager表示为雨刷管理软件构件的实例。针对CmdWashing接口定义了以下信息：1) CmdWashing接口由WiperWasherManager构件提供，其数据内容为FrontWasher构 件的Activation接口所使用。2）CmdWashing包含一个“Command”的数据元素。3）“Command”的

13、数据类型为“t_onoff”。4）“t_onoff”属于“RecordType”，该类型描述一般的开/关信息。应用软件开发者应该意识到，面向AUTOSAR运行时环境（RTE）接口的应用软件设计的重要性，及早地将AUTOSAR应用层接口引入到实际的项目中来，为实现应用软件的可复 用性做好准备，从而优化整个软件开发流程。2 AUTOSAR进展 宝马集团自2001年即开始在称为BMW Standard Core的架构下，在ECU电子控制单元中运用标准化基础软件。该软件覆盖车辆管理系统各个层面的功能，包括执行（如车辆能量流管理系统、停车准备功能），系统管理（如系统的编码与诊断），到系统定制（如个性化定

14、制功能，可设定特殊条件的服务定制功能）。 现在，应用于全新7系的BMW Standard Core软件系统通过AUTOSAR架构实现对车载网络、系统内存管理以及大部分的系统诊断功能。此外，全新BMW 7系所采用的多个ECU的运行系统与AUTOSAR架构相匹配，允许各应用程序独立运行。例如中央网关，该ECU确保了外部I/O系统（以太网和CAN总线）与内部I/O系统总线（CAN，MOST，FlexRay）间高速宽带连接。同时它还可以调节一些内核功能，如车况监测、系统编码和能量消耗检测等。 关于ECU电子控制单元未来的发展，宝马集团坚定地支持应用、推广AUTOSAR架构。一个精心制定的计划已经开始实

15、施，相关的供应商也被纳入相关规划。针对驱动系统、底盘、安全系统、内部和车身的研发应用已经全面展开。在Elmar Frickenstein看来，AUTOSAR架构的优势显而易见：“未来的车型将普遍受益于全行业统一的标准化程序，以及通用性、互换性更强的软件。AUTOSAR界面的标准化以及供应商通用工具软件的应用将促进该领域的进一步发展。国内的各大汽车厂商、科研院校也越来越关注AUTOSAR带来的标准化的设计、开发、验证，从而大幅提高汽车电子的研发效率和研发质量。浙江大学ESE实验中心从2004年开始关注AUTOSAR，并率先加入了AUTOSAR组织。目前浙江大学ESE实验中心已经成功开发出一套符合AUTOSAR标准的集成的ECU开发工具链（简称为SmartSAR Studio），它可以用于ECU软件架构、网络系统配置、基础软件核配置、诊断、标定和仿真测试，支持从上到下、软件为中心的快速迭代开发模