現(xiàn)代汽車更安全、更舒適、更智能的代價(jià)是車載ECU（Electronic Control Unit）數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，與之相對(duì)應(yīng)的是ECU上規(guī)模軟件越來(lái)越大、軟件開(kāi)發(fā)成本在整車制造成本中的占比越來(lái)越高。車企可以從規(guī)則與方法兩個(gè)角度入手來(lái)解決上述問(wèn)題：

【資料圖】

一手抓規(guī)則：汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)AUTOSAR； 一手抓方法：通過(guò)仿真建模技術(shù)搭建虛擬ECU，實(shí)現(xiàn)汽車的“數(shù)字孿生”。

本文將以此為基礎(chǔ)，分析虛擬ECU在智能汽車駕駛演進(jìn)過(guò)程中，基于AUTOSAR架構(gòu)的多個(gè)種類以及個(gè)中優(yōu)劣。

01.汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)AUTOSAR

AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）源自2003年，是由全球知名汽車制造商、零部件供應(yīng)商及其他電子、半導(dǎo)體和軟件系統(tǒng)公司聯(lián)合建立的汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)聯(lián)盟，該聯(lián)盟所推出的規(guī)范被稱為AUTOSAR規(guī)范，通過(guò)對(duì)汽車基礎(chǔ)軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義，提升汽車ECU的兼容性、復(fù)用性與可靠性。

AUTOSAR遵循的是一種自上而下的開(kāi)發(fā)方式，即先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再分別進(jìn)行開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，最終進(jìn)行系統(tǒng)集成。主要做了以下三件事：

對(duì)應(yīng)用軟件與底層軟件之間以及應(yīng)用軟件之間的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化； 給出一個(gè)控制器軟件參考架構(gòu)； 規(guī)范分布式開(kāi)發(fā)流程中的交換格式。

根據(jù)AUTOSAR GBR. AUTOSAR layer software architecture R4.4.0的資料顯示，其整體框架呈分層式設(shè)計(jì)，以中間件RTE（Runtime Environment，RTE）為界，隔離上層的應(yīng)用層（Application Layer，APPL）與下層的基礎(chǔ)軟件（Basic Software，BSW）。

▲AUTOSAR軟件架構(gòu)

在20年的長(zhǎng)久發(fā)展之下，AUTOSAR架構(gòu)已趨于成熟，汽車嵌入式系統(tǒng)軟硬件的耦合度大大降低，截至目前，AOTOSAR已被廣泛應(yīng)用于ECU軟件開(kāi)發(fā)和汽車電子設(shè)計(jì)，如汽車底盤(pán)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、底層通信軟件設(shè)計(jì)、整車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)、汽車電子診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，為滿足用戶日益增長(zhǎng)的智能駕駛需求提供了新解決方案。

02.虛擬ECU種類及優(yōu)劣分析

根據(jù)AUTOSAR框架的不同層次，虛擬ECU可以分為以下四個(gè)大類：

▲虛擬ECU分類

第一類：僅包含ASW和RTE（RTE中可能會(huì)包含一個(gè)OS）

只仿真RTE環(huán)境，僅能測(cè)試ASW的基本功能，忽略了基礎(chǔ)軟件中的通信細(xì)節(jié)。 如果ASW的代碼是AUTOSAR兼容的，則可以對(duì)ASW代碼進(jìn)行測(cè)試。

**此類虛擬ECU因?yàn)椴簧婕坝布詷?gòu)造較為簡(jiǎn)單，但無(wú)法保證與真實(shí)ECU同樣的執(zhí)行行為。

第二類：包含ASW，RTE和虛擬的BSW。

此類虛擬ECU相比第一類更加真實(shí)，可以對(duì)ASW、RTE代碼進(jìn)行測(cè)試。 虛擬BSW的作用是將底層硬件的特性和復(fù)雜性進(jìn)行抽象和封裝，為上層應(yīng)用軟件提供簡(jiǎn)化的接口和功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件的虛擬化。

**無(wú)法測(cè)試真實(shí)硬件的一些實(shí)際執(zhí)行行為。

第三類：上述基礎(chǔ)上外加OS及一個(gè)虛擬的MCAL（Microcontroller Abstraction Layer）。

相比第二類更加真實(shí)，可以測(cè)試任務(wù)調(diào)度以及BSW的功能。 虛擬MCAL負(fù)責(zé)封裝底層硬件的訪問(wèn)，通過(guò)軟件模擬來(lái)完成硬件相關(guān)的功能，提供統(tǒng)一的接口給上層軟件，使得軟件開(kāi)發(fā)人員可以更方便地編寫(xiě)應(yīng)用程序，無(wú)需擔(dān)心底層硬件的差異。

**值得注意的是，虛擬MCAL也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題：

性能損失：由于虛擬MCAL是通過(guò)軟件模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)底層硬件功能虛擬化的，可能導(dǎo)致仿真性能相對(duì)較低于直接訪問(wèn)實(shí)際硬件，尤其是在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景下——可能會(huì)出現(xiàn)延遲問(wèn)題。 適配性問(wèn)題：因其需要針對(duì)不同的底層硬件進(jìn)行開(kāi)發(fā)和適配來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，原有的虛擬MCAL大概率無(wú)法完全涵蓋所有的底層硬件特性和功能，一旦涉及定制化開(kāi)發(fā)就會(huì)導(dǎo)致成本上升。 復(fù)雜性和維護(hù)成本：虛擬MCAL的開(kāi)發(fā)和維護(hù)可能需要投入大量的人力和資源。雖然虛擬MCAL可以提供抽象和統(tǒng)一的接口，但其底層實(shí)現(xiàn)與硬件相關(guān)，需要工程師對(duì)硬件規(guī)格有著深入理解以落實(shí)維護(hù)，開(kāi)發(fā)和維護(hù)的復(fù)雜性和成本也會(huì)隨之上升。 功能限制：由于虛擬MCAL的仿真實(shí)現(xiàn)很有可能無(wú)法完全復(fù)現(xiàn)所有底層硬件的功能，在一些復(fù)雜功能上會(huì)有所受限，無(wú)法滿足所有應(yīng)用場(chǎng)景的需求，尤其是在一些復(fù)雜的硬件功能和特性方面。 靈活性較差：此類虛擬ECU也無(wú)法直接運(yùn)行真實(shí)ECU的二進(jìn)制代碼，對(duì)于復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動(dòng)（Complex Device Drivers，CDD）支持也較為欠缺。

第四類（最佳）：與第三類相同，但MCAL為真實(shí)硬件MCAL。

實(shí)現(xiàn)了完全仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎相同的真實(shí)硬件行為。 可通過(guò)完全模擬ECU處理器、相關(guān)外設(shè)及總線等設(shè)施實(shí)現(xiàn)【真實(shí)ECU相同的二進(jìn)制代碼】的直接運(yùn)行。 可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)真實(shí)硬件無(wú)法達(dá)成的故障注入，以測(cè)試軟件的安全性與可靠性。 靈活性較強(qiáng)，可以增加CDD的建模仿真。

**由于需要模擬硬件的技術(shù)細(xì)節(jié)，因此存在一定的建模工作量和建模周期；同時(shí)，為了確保具備一定的實(shí)時(shí)性，該類虛擬ECU的搭建往往具有較高的技術(shù)難度。

基于SkyEye的虛擬ECU解決方案

國(guó)產(chǎn)自主可控的天目全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真軟件SkyEye，作為基于可視化建模的硬件行為級(jí)仿真平臺(tái)，支持搭建第四類虛擬ECU，可高度仿真真實(shí)控制器。除了第四類虛擬ECU原有的優(yōu)勢(shì)外，基于SkyEye的虛擬ECU解決方案還有著以下特點(diǎn)：

可以將開(kāi)發(fā)任務(wù)從路測(cè)和臺(tái)架轉(zhuǎn)移到Windows/Linux PC上，以實(shí)現(xiàn)ECU軟件的高效軟件在環(huán)（SIL）開(kāi)發(fā)。 系統(tǒng)本身同時(shí)也是一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可通過(guò)協(xié)同仿真總線平臺(tái)工具與多種工具（包括通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的FMI接口運(yùn)行MATLAB/Simulink和其他多種工具）的仿真模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 虛擬ECU的相關(guān)配置可以快速?gòu)?fù)制拓展，復(fù)制成本低、比真實(shí)硬件也容易得多。 每位工程師都能擁有個(gè)人開(kāi)發(fā)環(huán)境，不會(huì)占用HIL臺(tái)架或測(cè)試車輛之類的稀缺資源，避免因硬件資源緊張引起的研發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，更多工程師能從中受益。

總體而言，基于SkyEye的虛擬ECU解決方案有著如下優(yōu)勢(shì)：

可以在早期開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)、集成和測(cè)試，加速整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高開(kāi)發(fā)效率。 減少實(shí)際車輛測(cè)試的需求，降低測(cè)試成本和時(shí)間，同時(shí)減少由于實(shí)際車輛測(cè)試帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和損失。 提供可視化的仿真結(jié)果，幫助開(kāi)發(fā)人員更直觀地理解控制系統(tǒng)的行為和性能。 可以在模擬環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，提高測(cè)試的精度和可重復(fù)性，并減少測(cè)試中的人為誤差。

虛擬ECU作為一種創(chuàng)新性的技術(shù)，對(duì)于ECU軟件開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。其不僅提高了汽車軟件的開(kāi)發(fā)效率與可重用性，為系統(tǒng)集成與驗(yàn)證帶來(lái)了便利，還為軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試提供了更好的環(huán)境，對(duì)汽車ECU軟件的安全性與隔離性起到了至關(guān)重要的保障作用。虛擬ECU將在未來(lái)的汽車電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，推動(dòng)汽車行業(yè)邁向更智能、更安全的未來(lái)。

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