上海2014年12月25日(ri)電 /美通社/ -- 電子設計自動化(hua)技術的(de)領導(dao)廠商 Mentor Graphics 近日(ri)發布一(yi)份題為(wei)《高(gao)級車(che)內系統的(de)參考(kao)設計》的(de)研究(jiu)報(bao)告。
作者簡介
Andrew Patterson 是 Mentor Graphics 嵌入式系統事業部市場與業務發展總監。該事業部特別關注汽車電子，Andrew 最近負責了這一領域的多個產品項目，在多個硬件平臺上研究 Linux 和 RTOS 解決方案。加入 Mentor 之前，Andrew 在設計自動化市場馳騁了20余年，精通的技術包括電子線束設計、汽車仿真模型開發、虛擬原型和機電一體化。Andrew 擁有英國劍橋大學 (Cambridge University) 的工程和(he)電子科學(xue)碩士學(xue)位。
正文：
如今汽車制造商想在創新、降低零件成(cheng)本(ben)、快速(su)推(tui)向市場這三個方(fang)面取得成(cheng)功變得更(geng)加(jia)困難。駕駛員(yuan)和乘客都期(qi)待智(zhi)能手機和平板(ban)電(dian)腦所具備(bei)的(de)功能成(cheng)為車內電(dian)子系統的(de)一部(bu)分。
近年來一些原先作為高端、頂配而引入的功能已經低廉化，越來越多的車款搭載了這些功能。有一種新趨勢是相互競爭的汽車品牌制造商使用同一種技術 -- 如信息娛樂系統的 GENIVI Linux 平臺。但(dan)為吸(xi)引(yin)和保有客戶進行創新和 OEM（原(yuan)始設備制造商(shang)品牌(pai)）差(cha)異化的(de)(de)需(xu)求依(yi)然強勁。將專有、內部開發的(de)(de)嵌入式軟件與(yu)開放源代碼包結(jie)合(he)在一起的(de)(de)方(fang)式是一種越(yue)來越(yue)受追捧的(de)(de)解決方(fang)案。
Mentor Graphics 開發的(de)“概念(nian)驗證”參考平(ping)(ping)臺(tai)(tai)可(ke)以靈活地按具(ju)體設計定制、可(ke)用(yong)(yong)安(an)全的(de)汽(qi)車(che)級(ji)代碼(ma)包提供客戶要求的(de)功能。該特殊平(ping)(ping)臺(tai)(tai)可(ke)根據(ju)當前市(shi)場趨(qu)勢進(jin)行(xing)設計，包括：駕駛員信息(xi)模塊(kuai) (DIM)；汽(qi)車(che)信息(xi)娛樂；智能手機和平(ping)(ping)板(ban)電腦(nao)整(zheng)合；先進(jin)的(de)駕駛輔助系(xi)統(tong) (ADAS) 功能；與現(xian)有車(che)內(nei)網絡一(yi)(yi)同工作的(de)基(ji)于(yu)AUTOSAR標準(zhun)的(de)通(tong)信能力。通(tong)過在一(yi)(yi)個汽(qi)車(che)硬(ying)件參考平(ping)(ping)臺(tai)(tai)上引入(ru) Type-1 嵌入(ru)式虛擬(ni)機 (embedded hypervisor) 進(jin)行(xing)核心設計實現(xian)對此技術的(de)整(zheng)合，本例中使用(yong)(yong)了最近被 Mentor Graphics 收購的(de) XS Embedded GmbH (XSe®) 的(de) 汽(qi)車(che)級(ji) AXSB®。
本設(she)計面臨一些(xie)挑戰，其中(zhong)包括：保持(chi)每(mei)個被運行(xing)的應用程(cheng)序的性(xing)能可接(jie)受、共享可用的硬(ying)件資源、管(guan)理(li)安全的域(yu)間(jian)通(tong)信(xin)。
滿足概念要求
Linux 作為得(de)力的(de)多(duo)(duo)任務操作系(xi)統(tong)已經逐漸為汽車制造(zao)商所接受，它(ta)能運(yun)行高端的(de)圖形化汽車應用(yong)程序、支持多(duo)(duo)種外圍設備，如相(xiang)機、USB 設備、音頻(pin)和多(duo)(duo)媒(mei)體功能設備。駕駛員信(xin)(xin)息模塊 (DIM)、車輛報警系(xi)統(tong)和控制對計算資源要求不(bu)高，但仍需(xu)要確(que)保性(xing)能和一個(ge)穩定的(de)顯示(shi)屏顯示(shi)重要的(de)安全(quan)(quan)狀態信(xin)(xin)息。為實現這些功能，采用(yong)安全(quan)(quan)的(de)實時操作系(xi)統(tong) (RTOS) 非常合適。車輛控制領域網絡(luo) (CAN)、FlexRay 或其它(ta)網絡(luo)獲取的(de)信(xin)(xin)息可(ke)以提供給實時操作系(xi)統(tong)。
設計要求是將這兩個獨立的操作系統（Linux 和 RTOS）以及運行的應用程序整合到一個硬件參考平臺上，并且可以借助 AUTOSAR 4.0.3 標準界面（圖1）實(shi)現(xian) CAN（車(che)輛(liang)(liang)控制局(ju)域網）通信。車(che)輛(liang)(liang)設計者必須整合消費(fei)電(dian)子設備(bei)已成事(shi)實(shi)，95%以上的市場通過提(ti)供對蘋(pin)果(guo) iOS 和(he)谷歌 Android 設備(bei)支持滿足這(zhe)一(yi)需求。其它標準(zhun)正在(zai)這(zhe)一(yi)領(ling)域出(chu)現(xian)，Mentor 的概念驗證平(ping)臺(tai)包括(kuo) MirrorLink support、Apple CarPlay 和(he) Google Android Auto。
通過選擇多核參考平臺(tai)降(jiang)低要素成本(ben)、實現硬(ying)件(jian)(jian)整合。這降(jiang)低了車輛(liang)組件(jian)(jian)的(de)(de)數量以及(ji)電(dian)(dian)子線束設(she)計的(de)(de)相(xiang)關(guan)成本(ben)。所用 XSe AXSB 平臺(tai)搭(da)載了德州(zhou)儀器公司 (Texas Instruments) J6 多核 CPU（中央處理器和瑞薩電(dian)(dian)子公司 (Renesas) V850 MCU（微程序(xu)控(kong)制器）。AXSB 還包括許多針對以太網(ethernet)、串口 /USB、電(dian)(dian)臺(tai)調諧器、倒車攝像頭輸入電(dian)(dian)路和 CAN 收發器等眾多支(zhi)持性(xing)外(wai)圍(wei)組件(jian)(jian)。一種基(ji)于 Yocto 且符合 GENIVI 的(de)(de) Linux 發行(xing)套(tao)件(jian)(jian)已(yi)經針對該平臺(tai)進(jin)行(xing)了高(gao)度優(you)化，可(ke)實現快速開(kai)機。而且，一些(xie)重要的(de)(de) Linux 組件(jian)(jian)（如音頻管理和圖形管理層）已(yi)經得到(dao)了“加固”。改善后的(de)(de)內存組件(jian)(jian)和引導裝(zhuang)載程序(xu)讓 Linux 操作(zuo)系(xi)統在兩秒鐘之內就能正常(chang)運行(xing)，滿足(zu)汽車制造商對信息娛樂(le)和導航系(xi)統的(de)(de)要求。
Mentor Graphics 的(de)(de) Nucleus® RTOS（實時操作系統）占用(yong)的(de)(de)資源少、啟動快，因此被選(xuan)作駕(jia)(jia)駛員信(xin)(xin)息(xi)(xi)模(mo)塊(kuai) (DIM) 的(de)(de)操作系統。該操作系統可配置性高、擁有一個針對流行的(de)(de)駕(jia)(jia)駛員信(xin)(xin)息(xi)(xi)模(mo)塊(kuai)(DIM)圖形支持(chi)應用(yong)軟(ruan)件的(de)(de)標準界(jie)面 Open GLES2。利用(yong)遠(yuan)程協議消息(xi)(xi)（Remote Protocol Messaging， RPMsg）進行穩定(ding)的(de)(de)通信(xin)(xin)，讓駕(jia)(jia)駛員信(xin)(xin)息(xi)(xi)模(mo)塊(kuai) (DIM) 軟(ruan)件棧(zhan)向(xiang)信(xin)(xin)息(xi)(xi)娛樂系統和 AUTOSAR 軟(ruan)件棧(zhan)傳送實時數(shu)據。
消費電子集成
時下(xia)汽(qi)(qi)車(che)制(zhi)造商(shang)無法(fa)(fa)(fa)逃(tao)避的(de)(de)是(shi)(shi) -- 需要支(zhi)持(chi)(chi)基于(yu)(yu)蘋(pin)(pin)果 iOS 系(xi)(xi)統和(he)基于(yu)(yu)谷(gu)歌 Android 系(xi)(xi)統的(de)(de)設(she)(she)(she)(she)備(bei)。通(tong)常智(zhi)能手(shou)機和(he)平(ping)板電腦(nao)制(zhi)造商(shang)的(de)(de)創新周期不足一年，因此(ci)需要一種普遍支(zhi)持(chi)(chi)的(de)(de)可(ke)以連(lian)(lian)接這些設(she)(she)(she)(she)備(bei)和(he)車(che)內(nei)電子系(xi)(xi)統的(de)(de)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)，并且在整個車(che)輛使(shi)用(yong)(yong)(yong)年限之內(nei)這一方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)都(dou)能用(yong)(yong)(yong)。早期的(de)(de)系(xi)(xi)統使(shi)用(yong)(yong)(yong)藍牙 (Bluetooth)，但藍牙技(ji)術(shu)沒有進(jin)行多媒體整合的(de)(de)帶寬(kuan)，也不支(zhi)持(chi)(chi)后座娛樂(le)的(de)(de)視(shi)(shi)頻流。USB 是(shi)(shi)一種公認的(de)(de)連(lian)(lian)接方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)，Wi-Fi（無線網絡）車(che)內(nei)鏈接正在逐漸用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)視(shi)(shi)聽信(xin)息傳輸，同時提供車(che)內(nei)熱點從而支(zhi)持(chi)(chi)多設(she)(she)(she)(she)備(bei)客戶。成立汽(qi)(qi)車(che)連(lian)(lian)接聯盟 (CCC) 是(shi)(shi)為了(le)推(tui)動和(he)提議 MirrorLink 成為行業整合智(zhi)能設(she)(she)(she)(she)備(bei)的(de)(de)標準方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)。借助 MirrorLink 可(ke)通(tong)過(guo)信(xin)息娛樂(le)管理設(she)(she)(she)(she)備(bei)遠(yuan)程訪問、顯(xian)示和(he)控制(zhi)基于(yu)(yu)手(shou)機的(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)軟(ruan)件(jian)。執行者可(ke)以控制(zhi)哪些應用(yong)(yong)(yong)軟(ruan)件(jian)可(ke)用(yong)(yong)(yong)以及如何(he)訪問 -- 是(shi)(shi)通(tong)過(guo)觸摸屏用(yong)(yong)(yong)戶界面(mian)還是(shi)(shi)安裝在方(fang)(fang)向盤上的(de)(de)按鈕。多設(she)(she)(she)(she)備(bei)制(zhi)造商(shang)和(he)車(che)輛 OEM（原始設(she)(she)(she)(she)備(bei)制(zhi)造商(shang)）是(shi)(shi)汽(qi)(qi)車(che)連(lian)(lian)接聯盟 (CCC) 成員，有幾款采用(yong)(yong)(yong)了(le)該技(ji)術(shu)的(de)(de)產品已(yi)經處(chu)于(yu)(yu)生產階段。蘋(pin)(pin)果公司 (Apple) 已(yi)經推(tui)出具有類似功能的(de)(de)專有 CarPlay 解決方(fang)(fang)案。
如今任(ren)何一(yi)款新(xin)車上都應擁有智(zhi)(zhi)能(neng)設(she)備(bei)集成(cheng)功能(neng)。它讓(rang)駕駛員(yuan)能(neng)立即訪問聯系人(ren)、音(yin)樂、視頻和喜愛的應用(yong)軟件，以及利用(yong)智(zhi)(zhi)能(neng)設(she)備(bei)連接4G/LTE網(wang)絡。這樣可以實(shi)時訪問云服務(wu)，如導航、禮賓(bin)服務(wu)、個人(ren)電子(zi)郵箱(xiang)等(deng)。Mentor 參(can)考設(she)計包括實(shi)施(shi) MirrorLink 標準和可以通過10英寸觸(chu)摸屏界面(mian)執行(xing)所有智(zhi)(zhi)能(neng)手機的功能(neng)。
多重操作系統架構
運行(xing)(xing)虛(xu)擬(ni)機的(de)(de)虛(xu)擬(ni)層是一(yi)種(zhong)(zhong)允許(xu) Linux 和(he) Nucleus RTOS 在(zai)一(yi)個(ge)硬件(jian)平(ping)臺上(shang)同時(shi)運行(xing)(xing)的(de)(de)簡潔方式(shi)。每個(ge)操作系統(tong)(tong)在(zai)一(yi)個(ge)專(zhuan)用(yong)的(de)(de)虛(xu)擬(ni)機上(shang)運行(xing)(xing)并(bing)共享 AXSB 平(ping)臺上(shang)可(ke)(ke)(ke)用(yong)的(de)(de)硬件(jian)資源。不同操作域間(jian)的(de)(de)通信(xin)(xin)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)利用(yong) RPMsg 協議(yi)用(yong)一(yi)種(zhong)(zhong)可(ke)(ke)(ke)控制的(de)(de)方法進行(xing)(xing)，這樣應用(yong)軟件(jian)之間(jian)就可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)共享一(yi)些(xie)數據(ju)。也可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)通過設定權限來管理資源、拒絕對某些(xie)系統(tong)(tong)功能(neng)的(de)(de)訪問。這樣在(zai)信(xin)(xin)息(xi)娛樂系統(tong)(tong)中可(ke)(ke)(ke)能(neng)安裝(zhuang)或下載了不可(ke)(ke)(ke)信(xin)(xin)或未認證的(de)(de)應用(yong)軟件(jian)時(shi)就可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)進行(xing)(xing)某種(zhong)(zhong)程度(du)的(de)(de)隔離。
開機順序也經過了仔細考慮。通常車上的 CAN 總線通信應該在 50ms 內激活，但同時還要求信息娛樂和駕駛員信息模塊要快速完成初始化。在這個參考設計中，基于 AUTOSAR 的 CAN 通信棧在 Renesas V850 MCU 上完成初始化，與 J6 多核 CPU 同時運行。RPMsg 通信引擎快速啟動，以便在域間傳送早期的交通狀態（圖2）。
構建信息娛樂系統
概(gai)念驗證參考設計包括了一些功能樣例，包括軟件無線電臺調諧器、后視攝像頭輸入、多媒體視頻和音頻播放器和車內系統功能，如 HVAC（暖通空調）控制和胎壓監測系統。胎壓監測儀所涉及到的功能具有代表性，它的數據源來自汽車遠端的某一部分，低壓或輪胎完全沒氣時，相關信息必須優先通過 CAN 總線發送并立即顯示在駕駛員信息屏上。因為設定了顯示優先次序，警示屏幕覆蓋了默認的信息娛樂主頁屏幕。 利用 CAN 信息生成器（ETAS BusMaster 模擬器）對該系統進行了測試，見圖3。
調整開(kai)(kai)機順(shun)序還用到(dao)了其它幾種工具，包括 Mentor Graphics® XSe XSTrace® 和 Mentor Graphics Sourcery? Analyzer。通過監測初始(shi)化(hua)和開(kai)(kai)機順(shun)序，駕駛員和進(jin)程(cheng)可(ke)以重新排(pai)序并節約寶貴的(de)時間。開(kai)(kai)機優化(hua)是一個迭代(dai)的(de)過程(cheng)，不重要的(de)系統(tong)任務和進(jin)程(cheng)會被及時地移出(chu)，為重要的(de)汽車功(gong)能(neng)更(geng)早地出(chu)現讓(rang)路。
為確(que)保 DIM 的(de)幀刷(shua)新率達到60幀/s或更快還使用(yong)了(le)圖(tu)形(xing)(xing)-性能(neng)(neng)微調工具(ju)。為確(que)保車內信息娛樂 (IVI) 和 DIM 模(mo)塊在關(guan)鍵時刻收到圖(tu)形(xing)(xing)帶寬，GPU（圖(tu)形(xing)(xing)處(chu)理器）共享架構包括了(le)負載平衡和資(zi)源優化。這一(yi)進(jin)程涉及(ji)(ji) GENIVI Wayland 元件、Open GLES2 參(can)與的(de)多層調諧，以(yi)及(ji)(ji)用(yong)于顯(xian)示屏幕圖(tu)像(xiang)的(de)專(zhuan)有顯(xian)示工具(ju)層。對(dui)屏幕分(fen)辨率和性能(neng)(neng)之間的(de)權衡進(jin)行分(fen)析(xi)，從(cong)而保證可視性較高、性能(neng)(neng)優于說(shuo)明(ming)書。
最終得到的(de)(de)是一(yi)個我們認(ren)為符合(he)現有市場趨勢的(de)(de)概念設計，并(bing)且在當今競爭激烈的(de)(de)汽車市場上它可能具有節省時間和開(kai)發(fa)周期的(de)(de)潛力。
結論
在(zai)(zai)當今快(kuai)速發展的汽車電(dian)子市場上，從頭(tou)開始(shi)設計已經不可(ke)取 -- 它在(zai)(zai)研究上花費很多年的時間才能找到(dao)正(zheng)確的解決方(fang)案。利(li)用預先建立(li)的參考設計概念，設計者可(ke)以(yi)選擇一些困難的性能和整合問(wen)題得到(dao)解決的節點作為設計起點，在(zai)(zai)此基礎上加(jia)入他們自己(ji)的IP（知(zhi)識產權(quan)）和最終的定制要求，從而縮短上市時間并搭載用戶直接可(ke)用的功能來滿(man)足(zu)當前市場的需求。
Mentor Graphics 及(ji)汽車事業部(bu) XS Embedded 開創(chuang)性地使用了基(ji)于行業標準軟件和硬件組件的(de)(de)near-A-Sample（近A級實驗）平臺(tai)。該設計將(jiang)在(zai)拉(la)斯維(wei)加斯舉行的(de)(de)2015年消費(fei)電(dian)子(zi)展 (2015 Consumer Electronics Show)、德國紐倫堡 Embedded World 及(ji)其它在(zai)全球各(ge)地舉行的(de)(de)重大活動上展出。
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