车载软件架构 --- 基于AUTOSAR软件架构的ECU开发流程小白篇
我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师。
老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：
简单，单纯，喜欢独处，独来独往，不易合同频过着接地气的生活，除了生存温饱问题之外，没有什么过多的欲望，表面看起来很高冷，内心热情，如果你身边有这样灵性的人，一定要好好珍惜他们眼中有神有光，干净，给人感觉很舒服，有超强的感知能力有形的无形的感知力很强，能感知人的内心变化喜欢独处，好静，清静，享受孤独，不打扰别人不喜欢被别人打扰，在自己人世界里做着自己喜欢的事。
时间不知不觉中，快要来到新的一年。2024结束，2025开始新的忙碌。成年人的我也不知道去哪里渡自己的灵魂，独自敲击一些文字算是对这段时间做一个记录。
一、背景信息
汽车ECU作为汽车电子控制系统的核心部件，其开发效率与质量直接关系到整车的性能与可靠性。然而，传统的ECU开发方法在系统级分析与建模方面存在诸多不足，如系统架构不够清晰、模块间耦合度高、扩展性差等问题。因此，引入AUTOSAR规范，以其层次化、模块化的系统架构，为解决这些问题提供了新的思路。
AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）是一个开放且标准化的汽车电子软件架构，旨在提高汽车电子软件的可移植性、可重用性和可扩展性。其系统架构具有层次化和模块化的特点，通过明确的层间接口和模块间通信机制，实现了软件组件的高内聚低耦合。
二、AUTOSAR ECU开发流程总览
AUTOSAR系统架构与标准接口、基本方法与开发流程
1、AUTOSAR系统架构与标准接口
AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）即汽车开放系统架构，由宝马、戴姆勒克莱斯勒、福特等主流汽车制造商，以及博世等零部件供应商和半导体、软件公司联合推出。它是一个开放的汽车电子系统架构标准，旨在提供汽车电子系统的标准化和模块化解决方案。
AUTOSAR的架构包括应用层、运行时环境（RTE）、基础软件（BSW）和硬件抽象层（HAL）等组件。其中：
应用层负责实现具体的功能。
-> RTE提供了应用层和BSW之间的接口，是AutoSAR架构中的一个重要组件，负责管理和协调汽车电子系统中的软件组件，包括通信管理、任务调度、事件触发、数据管理和错误管理等功能。
-> BSW提供了一系列的基础软件服务，如通信、诊断、操作系统等。
-> HAL提供了与硬件相关的接口和驱动程序。
此外，AUTOSAR还定义了多种类型的接口，包括标准接口、标准AUTOSAR接口和AUTOSAR接口，这些接口可实现操作系统和RTE、BSW模块和ECU内部之间的函数调用，以及软件组件之间的服务和数据交换。
2、AUTOSAR基本方法与开发流程
AUTOSAR为汽车电子软件系统开发定义了一套通用的解决方案，即AUTOSAR方法论。它描述了从系统层配置到ECU可执行代码的设计步骤，但并未规定要执行哪些活动，也没有定义“责任”和“角色”等。AUTOSAR方法论的开发流程通常包括以下几个步骤：
-> 需求分析：定义系统需求、功能需求以及性能需求，明确系统目标及各个模块的功能，确定软件组件（SWC）的功能，并根据需求编写需求文档。
-> 系统架构设计：设计系统的高层架构，包括硬件和软件组件的结构、ECU间的通信、资源分配等，定义系统架构（如SWC、ECU、通信等），设计BSW、RTE和OS的配置，以及ECU通信协议（如CAN、Ethernet等），并评估系统架构的可行性、性能和成本。
-> 软件组件设计与实现：开发符合功能需求的软件组件，并确保这些组件能够与其他系统模块无缝集成。这包括设计和实现SWC接口、实现业务逻辑和通信协议、开发组件的代码以及集成应用代码与底层软件框架。
-> ECU配置与基础软件配置：根据系统需求和软件组件，配置ECU硬件资源、BSW和中间件。
-> 代码生成与自动化：自动生成BSW、RTE、SWC集成代码，减少手动编码和集成的错误，并自动化测试和验证生成的代码是否符合需求。
-> 验证与测试：验证系统的功能和性能，确保系统符合设计需求。这包括软件单元测试、集成测试、硬件在环（HIL）测试和性能测试等。
-> 系统集成与调试：将所有的软件组件、基础软件和硬件集成在一起，进行调试和性能优化。
-> 功能验证与验收测试：确保系统按预期功能运行，并通过客户的验收测试。
-> 部署与生产：将系统部署到量产环境中，确保产品按计划投入生产。
-> 持续集成与维护：进行版本管理、持续集成，并根据需求进行后续维护。
3、符合AUTOSAR规范的汽车ECU软件开发解决方案
针对汽车电子系统日益复杂、软件代码量急速上升的问题，采用AUTOSAR架构可以显著提高ECU软件的可重用性、可扩展性和互操作性，从而降低开发和维护成本，并促进汽车电子系统的创新和发展。
在符合AUTOSAR规范的汽车ECU软件开发解决方案中，通常会采用一系列的工具和平台来支持开发过程。这些工具和平台包括但不限于：
-> 架构设计工具：如Vector PREEvision、Enterprise Architect、EB tresos Studio等，用于设计系统的高层架构和配置。
-> 集成开发环境（IDE）：如Eclipse、Visual Studio等，以及AUTOSAR专用的开发工具，如EB tresos Studio、Vector DaVinci Developer等，用于软件组件的开发和实现。
-> 配置工具：如Vector DaVinci Configurator、EB tresos Studio等，用于ECU和基础软件的配置。
-> 代码生成工具：同样包括EB tresos Studio等，用于自动生成基础软件、RTE、SWC集成代码。
-> 测试工具：如Vector CANoe、dSPACE、EB Assist等，用于系统的验证和测试。
三、AUTOSAR系统架构与标准接口
分层的系统架构传统的汽车电控软件开发是以硬件为中心的，软件严重依赖于硬件平台， 如图所示， 硬件平台的改 变 将 导 致 软 件 维 护 成 本 剧 增。 而 AUTOSAR 的提出， 旨在为汽车电子软件行业提供一个统一的开放的软件架构标准， 以解决传统汽车电子软件可靠性、 重用性低的缺陷。 如图所示， 通过定义标准化的软件功能组件与软件功能组件接口， 将与硬件有关的基础软件进行标准化与平台化， 从而实现上层应用软件和与底层硬件有关的软件 相 互 独 立， 切 实 提 高 软 件 的 更 新 和 升 级能力。
由于 AUTOSAR 提供底层 ＥＣＵ 抽象， 使得不再因更换 ＥＣＵ 而需要对上层应用软件进行适应性修改； 用户可以拥有独立于硬件的、 自上而下的以软件为中心的软件平台， 缩减软件的维护成本， 特别是图 AUTOSAR软件与硬件分离
整车厂可以将精力集中放在上层应用程序的开发上， 专注于更有竞争价值的上层功能实现。具体地， AUTOSAR 将运行在底层硬件之上的软件划分为三大层， 即应用层、 运行时环境层与基础软件层， 如图所示。
1、应用层。 应用软件以软件组件（ＳＷＣ） 的形式进行设计， 每个ＳＷＣ 都封装一段运行在 AUTOSAR 基础软件架构上的可执行程序， 并具有标准化的应用程序接口（ＡＰＩ） ， 通过运行时环境（ＲＴＥ） 进行通信。
2、运行时环境（ＲＴＥ） 层。 ＲＴＥ 提供基础的通信服务， 支持ＳＷＣ 之间的、 以及ＳＷＣ 与 ＢＳＷ 之间的通信（包括 ＥＣＵ 内部的程序调用、ＥＣＵ 外部的总线通信等） 。 ＲＴＥ 的思想是提供一个虚拟功能总线（ＶＦＢ） ， 从而允许ＳＷＣ 请求任意的输入数据， 而不必知道这些数据是从哪个 ＥＣＵ 传送过来的， 只需要向 ＲＴＥ 发出请求即可。 ＲＴＥ 使应用层软件完全脱离于具体的单个 ＥＣＵ 和 ＢＳＷ。
3、基础软件（ＢＳＷ） 层。 ＢＳＷ 层又被划分为３个子 层： 服 务 层、 ＥＣＵ 抽 象 层、 微 控 制 器 抽 象 层（ＭＣＡＬ） ， 还存在一个特殊的复杂驱动层。 每一子层又划分为不同的功能模块。
服务层分为系统服务、 内存服务、 通信服务等模块。 ＥＣＵ 抽象层分为板载设备抽象、 内 存 设 备 抽象、 通 信 硬 件 抽 象 与 Ｉ／Ｏ 抽 象 等。 ＭＣＡＬ 分 为ＭＣＵ 驱动、 内存驱动、 通信驱动与Ｉ／Ｏ 驱动等。ＭＣＡＬ 是 ＢＳＷ 的 最 底 层， 包 含 了 访 问 ＭＣＵ的驱动。 ＭＣＡＬ 使上层软件与 ＭＣＵ 分离， 以便应用程 序 的 移 植。 ＥＣＵ 抽 象 封 装 了 ＭＣＡＬ 以 及ＭＣＵ 外围设备的驱动， 并且将 ＭＣＵ 外围设备的访问进行了 统 一， 使 上 层 应 用 与 ＥＣＵ 硬 件 相 剥 离。
服务层是 ＢＳＷ 的最上层， 将各种基础软件功能模块以服务的形式封装起来， 供应用层调用。复杂驱动层可以直接访问 ＭＣＵ， 以实现一些复杂的传感器和控制器操作， 比如喷油控制、 曲轴信号采集等。 复杂驱动层具有重要意义， 首先， 它可以用于实现 ＡＵＴＯＳＡＲ 不支持或者尚未标准化的硬件驱 动； 其 次， 它 可 以 作 为 已 存 在 的 应 用 程 序 向ＡＵＴＯＳＡＲ 过渡的接口。
三、AUTOSAR方法与开发流程
1、SWC（软件组件）在汽车电子开发中的应用
SWC（Software Component）作为汽车电子开发中的核心组成部分，封装了汽车电子系统的各种功能模块，包括应用软件、传感器/执行器、标定、服务、ECU抽象以及复杂设备驱动等。这些SWC通过VFB（Virtual Function Bus，虚拟功能总线）进行交互，共同构成了汽车电子系统的应用软件。
SWC的结构与功能
1、端口与端口接口：
SWC的对外表现形式是一系列的端口（Port）及对应的端口接口（Port-Interface）。
每个SWC都需要定义Port，通过Port和Port-Interface实现SWC之间的通信或SWC与BSW（Basic Software，基础软件）之间的通信。
2、运行实体：
SWC的内部行为通过运行实体（Runnable）表达，每个SWC由若干个运行实体组成， 每个运行实体由一组指令序列构成，与一个特定的RTE事件（RTEEvent）绑定。当绑定的RTEEvent发生时，对应的运行实体就会被触发。
3、功能与数据交互：
运行实体通过Port的数据或操作完成自身的功能，并把结果通过Port对外提供。这种交互通过RTE（Runtime Environment，运行环境）进行，使得运行实体的实现与平台无关，从而SWC也是与平台无关的。
SWC的开发与描述
1、代码实现：
SWC必须提供功能模块的代码实现，即源代码。代码实现可以通过建模工具进行设计并生成代码，也可手工编制。
2、描述文件：
描述文件用于描述SWC的外在属性，包括所使用的端口、端口接口、运行实体及对应的RTEEvent等。描述文件最终以扩展标记语言（XML）文件形式对外提供，方便集成和管理。
SWC的优势与应用
1、可移植性与重用性：
由于SWC与平台无关，因此具有良好的可移植性和重用性。这使得在不同的汽车电子项目中，可以方便地复用已有的SWC，降低开发成本和提高开发效率。
2、模块化设计：
SWC的模块化设计使得汽车电子系统更加清晰、易于管理和维护。开发人员可以专注于单个SWC的开发，而无需关注整个系统的复杂性。
3、支持复杂系统开发：
在复杂的汽车电子系统中，SWC的引入使得系统可以更加灵活地应对各种需求和变化。通过组合和配置不同的SWC，可以快速构建出满足特定需求的汽车电子系统。
SWC在汽车电子开发中发挥着重要作用，它封装了汽车电子系统的各种功能模块，并通过标准化的接口和交互机制实现了模块之间的通信和协作。通过采用SWC，可以显著降低开发成本、提高开发效率，并增强汽车电子系统的可移植性和重用性。
