軟件定義汽車 (第十集)：決戰(zhàn)架構(gòu)之巔

小毛HYL 2020-09-19

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前言：

汽車的智能化和軟件化，就像一個(gè)巨大的漩渦，吸引著各方勢(shì)力卷入其中。就像上一篇文章提到的一樣，在大家構(gòu)建軟件能力過程中，一些危機(jī)也正在醞釀之中，在缺乏良好設(shè)計(jì)的框架下，一旦進(jìn)入正常的車型迭代，就會(huì)被以前歷史的版本束縛住手腳。

前面的系列文章從各個(gè)角度闡述了如何構(gòu)建軟件驅(qū)動(dòng)的硬件平臺(tái)能力：

《概述》
《面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)》
《SOA基礎(chǔ)軟件框架與參考實(shí)現(xiàn)》
《行業(yè)現(xiàn)狀》
《中央計(jì)算單元架構(gòu)》
《開發(fā)人才從何而來》
《高性能計(jì)算單元架構(gòu)》
《構(gòu)建開源軟件生態(tài)系統(tǒng)》
《危機(jī)是如何釀成的》

我構(gòu)思了很久，想以一種比較簡(jiǎn)明扼要的方式，展現(xiàn)出整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)架構(gòu)的全貌?；撕荛L(zhǎng)的時(shí)間去梳理，終于有了下面這張圖，現(xiàn)在看來，這是所有文章里面我最滿意的一張圖了，從整車的視角，展現(xiàn)出了如何去構(gòu)建新一代整車數(shù)字化平臺(tái)。

其實(shí)這也是一張作戰(zhàn)地圖，未來幾年，群雄逐鹿，各方勢(shì)力都將圍繞地圖中的各個(gè)主題進(jìn)行展開。這張圖比較清楚的展示出了如何去構(gòu)建一個(gè)軟件、硬件、車型平臺(tái)相互解耦的系統(tǒng)。

full stack architecture

這張圖是以A4紙的尺寸來進(jìn)行繪制的。建議下載下來放大來看，原圖我會(huì)放在汽車電子軟件公眾號(hào)的后臺(tái)，大家可以在微信后臺(tái)輸入“架構(gòu)總覽”獲取。

畫這張整體架構(gòu)圖，其實(shí)有以下幾個(gè)目的：

技術(shù)在這場(chǎng)變革中很重要，但是不是最關(guān)鍵的，從全局的角度去思考打造體系化的能力，首先必須知道要做的事情是什么。
對(duì)于產(chǎn)業(yè)鏈上的朋友來講也可以理解，究竟OEM客戶需要什么，自己所提供的產(chǎn)品，扮演了什么樣的角色。
對(duì)于投資圈朋友來講，參考這張圖可以了解到，感興趣的投資標(biāo)的究竟處在什么樣的行業(yè)位置當(dāng)中，想解決什么樣的問題，未來想發(fā)展成什么樣。
新平臺(tái)的開發(fā)，技術(shù)鏈路非常長(zhǎng)且復(fù)雜，所以我非常希望看到產(chǎn)業(yè)鏈上的各個(gè)環(huán)節(jié)能夠形成合力。在這次變革當(dāng)中，能夠幫助到各方玩家，更快的完成架構(gòu)的升級(jí)和轉(zhuǎn)型。
整個(gè)工程就像一個(gè)龐大的戰(zhàn)役，如果各方都能清楚，自己在這個(gè)戰(zhàn)役當(dāng)中的位置，作為執(zhí)行者來講，也能夠發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，去更加積極主動(dòng)的解決相關(guān)問題，也能知道如何去配合上下游開展工作。

架構(gòu)總覽

整個(gè)架構(gòu)可以總結(jié)為“6+4”：6層邏輯架構(gòu)構(gòu)建起了一個(gè)軟硬解耦的系統(tǒng)；4層服務(wù)架構(gòu)完成了服務(wù)的抽象與適配，建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)體系；六層邏輯架構(gòu)包括：

可拓展電子電氣架構(gòu)，也叫計(jì)算與通信架構(gòu)
可拓展硬件計(jì)算平臺(tái)
操作系統(tǒng)內(nèi)核
分布式服務(wù)中間件
標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)層
可編排應(yīng)用層

這6層的架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了軟件、硬件、車型平臺(tái)相互解耦，之前也介紹過可能會(huì)碰到的軟件危機(jī)，而良好的架構(gòu)設(shè)計(jì)是解決這其中很多問題的關(guān)鍵。總結(jié)下來，可以體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

基于標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的開發(fā)，能夠提高應(yīng)用的迭代速度，讓產(chǎn)品經(jīng)理更加深入的介入產(chǎn)品的開發(fā)過程。
分層的架構(gòu)設(shè)計(jì)，便于進(jìn)行分層測(cè)試與驗(yàn)證，減少集成測(cè)試的壓力，問題發(fā)現(xiàn)的更充分，也能夠提高版本發(fā)布的速度。
便于形成產(chǎn)品線和平臺(tái)線的分工，產(chǎn)品線負(fù)責(zé)具體車型項(xiàng)目，平臺(tái)線，負(fù)責(zé)構(gòu)建技術(shù)中臺(tái)。
可拓展的硬件計(jì)算平臺(tái)，可以兼容多種傳感器和外部設(shè)備，同時(shí)支持芯片和硬件的可升級(jí)。
可拓展的計(jì)算通信架構(gòu)，可以加快車型開發(fā)的速度，平臺(tái)能夠快速地適配到新的車型之上，分層的結(jié)構(gòu)，把車型之間的差異化縮到最小，能夠減少后期多產(chǎn)品線維護(hù)的壓力。

1. 可拓展計(jì)算與通信架構(gòu)

主要目的是，提供一個(gè)與車型無關(guān)的統(tǒng)一平臺(tái)，在此之上構(gòu)建的所有車型都將采用統(tǒng)一架構(gòu)?？赏卣怪醒胗?jì)算平臺(tái)與模塊化Zonal Controller 是構(gòu)建這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電子架構(gòu)的核心。中央計(jì)算單元將整合自動(dòng)駕駛，智能座艙和車輛控制三大域的核心業(yè)務(wù)功能，標(biāo)準(zhǔn)化的區(qū)域控制器主要有三個(gè)職責(zé)：

電力分配
數(shù)據(jù)服務(wù)
區(qū)域網(wǎng)關(guān)

所謂的標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)域控制器，是指所有的Zonal Controller都采用相同的硬件設(shè)計(jì)，擁有相同的IO接口?？梢愿鶕?jù)車型的需要靈活的去配置三個(gè)，四個(gè)，甚至更多的區(qū)域控制器，以滿足不同車型對(duì)于拓展性的要求。

central+zonal

中央計(jì)算單元與區(qū)域控制器之間都會(huì)采用高速以太網(wǎng)相互連接。因此，中央計(jì)算單元將會(huì)集成一個(gè)高吞吐量的以太網(wǎng)交換機(jī)。為了滿足車輛控制實(shí)時(shí)性的要求，核心網(wǎng)將會(huì)采用如TSN等的可靠通訊技術(shù)。在區(qū)域控制器下的局域網(wǎng)內(nèi)，傳統(tǒng)的CAN、Lin等通訊方式將會(huì)繼續(xù)存在。局域網(wǎng)內(nèi)可以以傳統(tǒng)的信號(hào)的方式進(jìn)行通信，在核心的以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)中，將會(huì)以服務(wù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的交互，就需要如DDS等通信中間件。

隨著整車集成化的程度越來越高。越來越多ECU的功能將會(huì)慢慢的被吸收到區(qū)域控制器當(dāng)中。所以，區(qū)域控制還同時(shí)承擔(dān)，整車硬件抽象的重要職能，這一塊在介紹服務(wù)層中的原子服務(wù)時(shí)會(huì)詳細(xì)說明。

概括來講，可拓展的電子架構(gòu)就是要屏蔽車型之間的硬件差異。不管采用多少個(gè)區(qū)域控制器組成的通訊網(wǎng)絡(luò)，其相互之間的通訊模式，都遵守同樣的規(guī)則。同時(shí)區(qū)域控制器也承擔(dān)其局域網(wǎng)內(nèi)，ECU功能的抽象之責(zé)。

2. 可拓展中央計(jì)算平臺(tái)

中央計(jì)算平臺(tái)需要擁有統(tǒng)一的傳感器及外設(shè)接口，同時(shí)需要能夠兼容各家的芯片產(chǎn)品。隨著整車智能化的提高，越來越多的芯片玩家進(jìn)入到了車載芯片領(lǐng)域，在此之前，車載芯片的迭代速度非常慢，然而最近幾年，車載芯片的迭代速度越來越快，各種高性能的芯片層出不窮。

如果每次換芯片都要進(jìn)行換骨手術(shù)，對(duì)整個(gè)技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，會(huì)極大的拖慢新產(chǎn)品的開發(fā)速度。目前來看，車載芯片的發(fā)展速度，正在向消費(fèi)電子靠近，消費(fèi)電子領(lǐng)域基本是一年一代芯片。車載領(lǐng)域雖然稍微慢一點(diǎn)，但是升級(jí)換代的訴求也非常強(qiáng)烈。

關(guān)于中央計(jì)算單元的架構(gòu)方式，之前的文章已專門做過闡述，有三種方式：分離SOC、硬件隔離、軟件虛擬化，詳細(xì)可參考這篇文章，《中央計(jì)算單元架構(gòu)》

總結(jié)下來，中央計(jì)算平臺(tái)需要擁有統(tǒng)一的傳感器及外設(shè)接口，同時(shí)能夠支持芯片的升級(jí)，其最終目的就是要實(shí)現(xiàn)在車生命周期內(nèi)的硬件可升級(jí)，從而延長(zhǎng)汽車的智能化生命周期。

3. 操作系統(tǒng)內(nèi)核

關(guān)于操作系統(tǒng)的概念，之前的文章已經(jīng)辨析過。目前各種操作系統(tǒng)的概念滿天飛，但大部分都只是操作系統(tǒng)中間件。由于車輛的復(fù)雜性以及對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求，沒法用一個(gè)操作系統(tǒng)來統(tǒng)一所有的應(yīng)用場(chǎng)景。這并不是一個(gè)軟件問題，在此不做過多闡述，詳細(xì)參考這篇文章，《軟件定義汽車-概述》

在操作系統(tǒng)內(nèi)核層面，最主要的就是要滿足實(shí)時(shí)性的要求，能夠保證系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。如果需要采用虛擬化的方案，很多虛擬化的工作也需要在這一層展開。這塊不是車廠的強(qiáng)項(xiàng)，也不是能夠體現(xiàn)產(chǎn)品差異化的地方。因?yàn)闊o論用誰家的，其實(shí)現(xiàn)的功能都非常相似。所以沒必要車廠單獨(dú)去開發(fā)一個(gè)內(nèi)核，本身很多生態(tài)的建設(shè)靠車廠也無法完成，這個(gè)工作交給科技公司去做就好了，有很多成熟的可選的方案。

在上面的圖中，也有一種類型的系統(tǒng)叫OS for MCU，最典型的就是Classic AutoSAR。從這個(gè)整體架構(gòu)圖當(dāng)中，大家也可以看到，它的生與死其實(shí)根本就不關(guān)鍵。因?yàn)樗皇钦麄€(gè)計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)中非常小的一塊兒。所有的代碼量加起來也就幾兆大小，對(duì)它的需求是成熟穩(wěn)定，可用即可。在中央計(jì)算架構(gòu)下，以太網(wǎng)是核心的通信方式，傳統(tǒng)的MCU的網(wǎng)絡(luò)管理、CAN通信、診斷等功能，將會(huì)被中央計(jì)算單元所吸收。未來中央計(jì)算單元的MCU承擔(dān)的最主要的職責(zé)可能是電源管理。

4. 分布式服服務(wù)框架

很多人也把這層稱為XX.OS，其本質(zhì)上是一個(gè)操作系統(tǒng)中間件。其最核心的作用，就是提供一個(gè)分布式的計(jì)算和通信框架。對(duì)下屏蔽各類操作系統(tǒng)內(nèi)核的差異，對(duì)上提供統(tǒng)一的服務(wù)開發(fā)框架。

其主要包含服務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、通信管理、升級(jí)、診斷、日志、狀態(tài)等。Adaptive Autosar和ROS就是典型的分布式服務(wù)開發(fā)框架，此類中間件都是解決通用的技術(shù)問題，實(shí)質(zhì)上也不是車廠的核心競(jìng)爭(zhēng)力，當(dāng)然有余力的也可以選擇自己開發(fā)，詳細(xì)可以參考這篇文章，《SOA基礎(chǔ)軟件框架與參考實(shí)現(xiàn)》

5. 標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)層

也有很多人把在這層也稱之為XX.OS，其主要目的是把車上，硬件功能抽象為各種服務(wù)，并且進(jìn)行分類分層，為上層應(yīng)用提供良好的開發(fā)SDK。在上圖的架構(gòu)中，分為四層設(shè)計(jì)：

最下層是服務(wù)的適配層，運(yùn)行在Zonal Controller之上，將對(duì)局域網(wǎng)內(nèi)的ECU功能進(jìn)行抽象化處理，面向具體車型的信號(hào)進(jìn)行適配。
服務(wù)適配層向上對(duì)接的是原子服務(wù)，指的是硬件的一些基本功能，比如傳感器、電機(jī)控制、門窗、車燈等，最基本一些操作。
在原子服務(wù)之上是邏輯服務(wù)，也稱為組合服務(wù)，里面有一定的判斷邏輯存在。比如打開車門，打開車燈，并不是在任何狀態(tài)下都無條件執(zhí)行，需要判斷很多條件。
在邏輯服務(wù)之上是業(yè)務(wù)服務(wù)，和各域的功能聯(lián)系的比較緊密。

服務(wù)的抽象也有一些方法論可以遵守，可以從原來ECU的信號(hào)出發(fā)，從下往上梳理，形成一系列原子服務(wù)。另外就是從業(yè)務(wù)功能出發(fā)，從上往下梳理，形成一系列的邏輯服務(wù)和業(yè)務(wù)服。關(guān)于SOA分類分層的介紹，可以參考這篇文章，《面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)》。

我想強(qiáng)調(diào)的是，服務(wù)層的設(shè)計(jì)其實(shí)是車廠的關(guān)鍵能力，因?yàn)闊o論是服務(wù)中間件還是操作系統(tǒng)內(nèi)核，很多的Tier1都可以去做，因?yàn)檫@些都是一個(gè)純技術(shù)性的通用工作。但是服務(wù)層的設(shè)計(jì)只有OEM廠商才能夠做。因?yàn)槿魏蜹ier1都只能接觸到其中的一部分，所以沒法從全局的角度去設(shè)計(jì)整個(gè)服務(wù)的框架，而這一層最大的作用就是，提供一些靈活可重組的基礎(chǔ)服務(wù)，以供上層應(yīng)用場(chǎng)景的快速實(shí)現(xiàn)。為產(chǎn)品功能的快速迭代打下了很好的基礎(chǔ)。

6. 可編排應(yīng)用層

在服務(wù)層之上就是個(gè)域的應(yīng)用功能，此處的“域”只是一個(gè)虛擬的概念，因?yàn)樵谥醒胗?jì)算的架構(gòu)下，各域之間已經(jīng)沒有了明顯的物理邊界，邏輯上可以劃分為以下四個(gè)：

自動(dòng)駕駛
智能座艙
車輛控制
智能天線

前面幾個(gè)都有過介紹，所謂的智能天線，其實(shí)就是集合了所有的與外界通信的功能，如BT、WIFI、NFC、V2X、5G等等。

一個(gè)產(chǎn)品的功能往往都是需要，各域的相互配合才能實(shí)現(xiàn)的，在之前的技術(shù)架構(gòu)下，產(chǎn)品經(jīng)理很難介入到整個(gè)產(chǎn)品功能的開發(fā)周期當(dāng)中。因?yàn)榧夹g(shù)架構(gòu)過于復(fù)雜，更多情況下是系統(tǒng)工程師在主導(dǎo)。所以把服務(wù)層做厚，把應(yīng)用層做薄，把底層架構(gòu)做充分的解耦，可以讓產(chǎn)品經(jīng)理很深入的介入到產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)開發(fā)當(dāng)中。

此時(shí)產(chǎn)品功能的開發(fā)已經(jīng)不需要去關(guān)心底層中間件、操作系統(tǒng)、硬件、電子架構(gòu)的的影響?；诜?wù)層提供的SDK可以快速的開發(fā)出產(chǎn)品所需要的功能，這也是未來智能座艙和自動(dòng)駕駛等產(chǎn)品功能快速地帶的一個(gè)技術(shù)基礎(chǔ)。

結(jié)語

同樣一個(gè)問題，有多種解決的途徑，分析下來會(huì)有多種解決方案。但是需要做的事情分分類，也都殊途同歸。所以右邊的文字部分詳細(xì)的列出了各塊兒需要做的事情，可以供大家參考。每一個(gè)點(diǎn)都是非常龐大的主題，要講清楚，需要花很長(zhǎng)的篇幅。后續(xù)有機(jī)會(huì)我們將圍繞這些工作，進(jìn)行更加細(xì)致的闡述。

很多人也在問，有沒有一些書或者成熟的方案可以借鑒，很難有，因?yàn)檫@是一個(gè)很新的領(lǐng)域，很多時(shí)候需要去創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)鏈上沒有的東西，所以正向的研發(fā)，正向的思考是非常關(guān)鍵的。一切從問題出發(fā)，正向去思考，分析解決這些問題的途徑，自然而然的會(huì)形成一種比較一致的判斷。技術(shù)方案其實(shí)是一個(gè)非常客觀的東西，大家可以理性的去分析，也歡迎大家反饋?zhàn)约旱南敕ā?/span>

本來是準(zhǔn)備寫關(guān)于芯片定制化的一些思考，但是如果不解釋清楚整個(gè)技術(shù)架構(gòu)，講芯片的定制化可能會(huì)讓大家感到疑惑。其實(shí)在設(shè)計(jì)中央計(jì)算單元的時(shí)候，最大的挑戰(zhàn)就是可用的芯片。目前沒有一款芯片能夠同時(shí)滿足幾大功能域的要求，只能用多個(gè)芯片拼起來。半導(dǎo)體行業(yè)其實(shí)已經(jīng)有了從晶元級(jí)別去集成多個(gè)芯片的能力。下一期我們可以仔細(xì)聊聊這個(gè)話題。

作者：leo_huang_

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