车载电子与软件架构
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（Wechat：gongkenan2013）。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：
“ 本就是小人物，输了就是输了，不要在意别人怎么看自己。江湖一碗茶，喝完再挣扎，出门靠自己，四海皆为家。人生的面吃一碗少一碗，人生的面见一面少一面。人生就是一次次减法，来日并不方长。自己的状态就是自己最好的风水，自己的人品就是自己最好的运气。简单点，善良点，努力点，努力使每一天都开心，不为别人，只为自己。"
本文大体如下：
1、背景信息
2、汽车电子与软件架构发展背景
3、分层结构下汽车电子技术演化与架构的形成
一、背景信息
在智能驾驶和网联技术的推动下，汽车可以产生和需要处理的信息量呈几何级数增长汽车成了大规模信息获取终端和处理终端，车辆技术和信息的融合度不断提升，如何有效地接收、传输、处理信息，将成为解决汽车产业发展过程中带来的能源、环境、安全、拥堵等困局的关键手段。传统的汽车电子信息装置只能够完成传感器信号产生、处理、传输和反馈控制的简单闭环，显然已经无法适应结合了智能驾驶和网联技术的电动汽车发展要求，建立一个面向实时控制和复杂多元信息的汽车电子体系十分必要，而这个体系需要清晰、明确、可靠的硬件、软件和通信架构作为支撑，本章将结合汽车电子发展历程，详述这一架构的发展过程和动因。
在智能驾驶和网联技术的推动下，汽车的信息处理需求正在经历前所未有的增长。为了有效应对这一挑战，建立一个面向实时控制和复杂多元信息的汽车电子体系显得尤为关键。这个体系的建立需要以下关键要素：
-> 硬件架构：一个强大的硬件平台是实现智能驾驶和网联技术的基础。这包括高性能的传感器、处理器、存储器和通信设备等。这些硬件元件需要具备高速、低功耗、高可靠性等特点，以支持实时数据处理和复杂的信息交互。
-> 软件架构：软件架构需要能够支持多种算法和应用程序的运行，包括感知、决策、控制等智能驾驶功能的实现。此外，软件架构还需要具备高度的模块化和可扩展性，以适应不断变化的技术需求。
-> 通信架构：通信架构需要支持车辆与外部网络的高速、可靠连接，以实现与其他车辆、基础设施和云端服务的实时信息交互。这包括支持多种通信协议和技术，如蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙、车载以太网等。
-> 数据安全和隐私保护：随着汽车成为大规模信息获取终端和处理终端，数据安全和隐私保护变得尤为重要。这需要建立完善的数据加密、认证和访问控制机制，确保车辆信息的安全传输和处理。
-> 系统集成和测试：为了确保整个汽车电子体系的可靠性和稳定性，需要进行严格的系统集成和测试。这包括硬件和软件的兼容性测试、性能测试、安全测试等，以确保系统在各种工况下的正常运行。
建立一个面向实时控制和复杂多元信息的汽车电子体系是实现智能驾驶和网联技术的关键。这需要硬件、软件和通信架构的紧密配合，以及数据安全和隐私保护的完善措施。通过不断的技术创新和系统集成，我们可以期待未来的汽车将更加智能化、安全和高效
二、汽车电子与软件架构发展背景
近几十年来，汽车工业与电子技术不断融合发展，孕育出了汽车产业链中的一个重要细分类别一一汽车电子，成为汽车技术领域中最活跃、最具革命性的技术方向。
汽车电子发展的一些重要阶段和趋势：
-> 初级阶段：20世纪50年代到60年代，汽车电子技术处于单独控制阶段，这一时期主要是通过电子技术改善汽车的部分性能，如发动机的电子点火模块等。
-> 安全、环保与节能：20世纪60年代末期到90年代中期，电子技术开始被广泛应用于解决汽车的安全、污染和节能三大问题。这标志着汽车电子技术从单一的性能改善扩展到了更为广泛的领域。
-> 电子控制系统：20世纪90年代中期以后，电子技术不仅应用到了发动机领域，还扩展到了其他多个领域，如变速箱控制器、车身控制系统等，ECU（电子控制单元）的数量和复杂度也随之快速增长。
-> 智能化与电子化：随着技术的发展，汽车电子进一步向智能化和电子化方向发展。现代汽车不仅要处理大量的传感器数据，还要支持高级的驾驶辅助系统（ADAS）、自动驾驶技术以及车联网（V2X）等功能。
-> 计算能力的重要性：未来，处理器和计算能力将成为评价汽车性能的重要指标。随着自动驾驶和车联网技术的发展，对汽车电子系统的处理能力和智能化水平提出了更高的要求。
汽车电子的发展不仅提升了汽车的性能和安全性，还推动了汽车行业的转型升级。随着新技术的不断涌现，我们可以期待汽车电子将继续引领汽车行业的技术创新和发展潮流。
汽车电子的分层
汽车电子逐渐发展出两类产品方向:
一类是需要与机械电气结构耦合工作的汽车电子控制装置,用来完成发动机、传动、底盘和车身电子控制,典型系统有内燃机的燃油喷射控制系统、变速器控制、电机驱动控制、制动防抱死控制、电子控制悬架、电子动力转向等;
另一类是为驾驶员或车内乘员提供信息支撑的汽车电子信息装置，包括信息娱乐系统导航系统、人机交互系统和车载通信系统等。
在面向机电耦合的电控技术方面，随着传统内燃机汽车在电控技术上日渐成熟，且由于能源和环境的制约，电动汽车得到了政府和行业广泛的支持，其实现形式包括纯电动混合动力(包括插电式和增式 和燃料电池动力系统，电动化成为汽车技术发展的一个重要趋势，汽车电子在动力系统控制中的变革体现为被控对象的变化，被控对象变成了电机驱动、电池管理、电能变换、燃料电池控制等，电子控制技术的覆盖面大大拓展，其实时性需要进一步提高，且功率电子也成为汽车领域的核心技术。
在车载信息技术方面，随着信息技术向汽车中的深度渗透，出现了两个非常引人注目的趋势:
-> 一个趋势是以服务驾驶员及车内乘员为目的，其表现形式为智能座舱，是以视觉声音、触感等形式进行高级人机交互，并将汽车打造成家庭和办公室之外的第三空间;
-> 另个趋势是以辅助和代替人类驾驶员为目的。传统车辆驾驶是以驾驶员作为车辆控制核心这种系统架构越来越受到人对于复杂环境下大量信息感知和高带宽响应的限制，同时，人的注意力集中度、驾驶技能和心理素质等方面也存在不确定性，给安全、高效的驾驶带来深远影响。以高级别智能驾驶技术辅助甚至代替人类驾驶，已经成为技术演进的必然趋势.
车载信息的智能化和动力系统的电动化使得汽车电子系统架构出现了明显的分层，即上层为高算力信息处理层，下层为高实时性嵌人式控制层，如图所示。
面向物理系统的控制层成为汽车电子的一个核心的功能分类,控制层仍基于传统的嵌人式系统，以分布性、实时性、可靠性为主要特征，管理着汽车上的各种传感器、执行器和电力电子部件。
此外，传统燃油车在能量流动链中是能量流动的终点，而电动汽车将成为一种移动式、分布式储能设施更加深度地融合进全新的能源互联网，增加其作为能量流动中继环节的作用。借助移动式分布式储能的属性与 V2G 技术，电动汽车体现了能源互联网的核心特征。
而在智能网联的电动汽车时代，车辆越来越多地需要被动接收或主动发现来自外界的信息，这就要求面向信息的汽车电子体系具备复杂环境感知的能力。环境感知是指利用传感器融合等技术来完成对于车辆周围环境，包括车流信息、车道状况、附近车辆速度信息、行车标志信息等的认知模型建立，对环境的感知和判断是智能车辆工作的前提和基础，感知系统获取周围环境和车辆状态信息的实时性和稳定性直接关系到后续决策的成败。
为了应对复杂的车辆行驶环境和天气状况，需要在车辆上安装多种类型的传感器，并使用信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除冗余，加以互补，获得被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统的快速性和正确性。
另外，由于接入互联网，汽车也从一个信息孤岛变成了网络终端，V2X 技术被认为是可以满足车联需求的一种技术手段，面向车路一体的交通网络开始成型.
三、分层结构下汽车电子技术演化与架构的形成
汽车的电动化带来了“三电”(电池、电机、电控)关键零部件，这些零部件的机电耦合程度要低于传统的内燃机动力，但电信号种类更多、更加复杂且多变，因此对具有更大通用性、更高处理能力的控制器的要求越来越迫切，零部件配置单独的电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)-分布式的汽车电子系统架构这一典型模式逐渐走向功能复杂的动力、底盘的一体化控制。
信息体量的增大、传输环节增加，无疑给车辆的信息处理能力、对车辆进行运动学控制的能力以及向用户反馈信息的能力提出了更高的要求。在电动化动力系统上面向信息的汽车电子体系中,需要具有更强大的信息处理能力和反馈通道,算力更强的基于高性能片上系统(SoC)构建的域控制器(Domain Control Unit，DCU)集中控制策略将逐步取代基于微控制单元(MCU)的多 ECU 分布式控制方式，最后向以超强算力的中央处理器为核心的中央计算架构演化，以完成人车交互、车辆自动驾驶和车路协同控制等复杂功能。
传统的车载通信仅仅局限在车内通信，底盘与动力控制采用CAN总线，车身电子采用LIN 总线及蓝牙和 WiFi等无线通信方式，完成的仅仅是车辆内部信息的传输，但是针对智能网联化的电动汽车，车载通信模式需要从低速向高速发展，将与互联网技术兼容的以太网技术引人汽车就成了顺理成章的思路，对以太网的车载化改造成为一个重要的技术趋势V2X 的通信范围从车内向车际通信甚至广域通信的方向扩展，这就要求面向信息处理的汽车电子系统需要同时具备车辆基础设施通信(V2I际通信(V2V)和人通信(V2P)等能力，V2X要求有极短的网络接人时间、低传输时延和高带宽、高传输可靠性，且由于车辆是高速移动的，因此 V2X 要求在有限的时间和空间范围内可以实现频谱再利用。同时信息传输环节的增多、对象的拓展，很大程度上也增加了信息泄露的风险，需要有一个完整的网络安全机制保障智能网联汽车的信息安全和驾驶员和乘员的隐私保护。
借助多种类的传感器和 V2X 通信，车辆及用户可以接收到更多的信息。借助域控制器和云控平台，汽车可以存储和处理信息的容量大大增加，借助抬头显示(HUD和中控大屏等新型智能设备，用户与车辆进行信息交互的方式更加多元。例如，以T-Box(TelematicsBox)为代表的新型车载智能终端将通过云服务平台与手机 App连接，大大提升用户操作的便利性;云控基础平台将为云控模块提供数据支持，共同参与车辆的智能决策，形成“车-路-云”一体的信息深度融合解决机制;而交通云则通过无线通信网络和路边单元为车辆的信息处理层赋能。
如上所述，传统的汽车电子信息装置面向控制功能，完成信息采集、处理和反馈的简单闭环，已经无法适应结合了智能网联技术的电动汽车发展要求，汽车电子系统被赋予越来越多的信息处理功能，信息处理层逐渐从汽车电子系统中凸显出来，成为举足轻重的新功能。因此，随着汽车电子技术在硬件上如何向高算力域控制器及中央计算平台发展，通信上如何向以太网宽带通信发展，软件和硬件如何逐渐分离，如何开发和管理越来越大型化和复杂化的软件…"这些问题的尝试和解决，共同孕育了一个面向驾驶信息处理及一体化控制的汽车电子和软件体系架构。
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