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作者：Andrew Patterson 如今汽車(chē)制造商想在創(chuàng )新、降低零件成本、快速推向市場(chǎng)這三個(gè)方面取得成功變得更加困難。駕駛員和乘客都期待智能手機和平板電腦所具備的功能成為車(chē)內電子系統的一部分。 近年來(lái)一些原先作為高端、頂配而引入的功能已經(jīng)低廉化，越來(lái)越多的車(chē)款搭載了這些功能。有一種新趨勢是相互競爭的汽車(chē)品牌制造商使用同一種技術(shù) -- 如信息娛樂(lè )系統的 GENIVI Linux 平臺。但為吸引和保有客戶(hù)進(jìn)行創(chuàng )新和 OEM（原始設備制造商品牌）差異化的需求依然強勁。將專(zhuān)有、內部開(kāi)發(fā)的嵌入式軟件與開(kāi)放源代碼包結合在一起的方式是一種越來(lái)越受追捧的解決方案。 Mentor Graphics 開(kāi)發(fā)的“概念驗證”參考平臺可以靈活地按具體設計定制、可用安全的汽車(chē)級代碼包提供客戶(hù)要求的功能。該特殊平臺可根據當前市場(chǎng)趨勢進(jìn)行設計，包括：駕駛員信息模塊 (DIM)；汽車(chē)信息娛樂(lè )；智能手機和平板電腦整合；先進(jìn)的駕駛輔助系統 (ADAS) 功能；與現有車(chē)內網(wǎng)絡(luò )一同工作的基于A(yíng)UTOSAR標準的通信能力。通過(guò)在一個(gè)汽車(chē)硬件參考平臺上引入 Type-1 嵌入式虛擬機 (embedded hypervisor) 進(jìn)行核心設計實(shí)現對此技術(shù)的整合，本例中使用了最近被 Mentor Graphics 收購的 XS Embedded GmbH (XSe) 的 汽車(chē)級 AXSB。 本設計面臨一些挑戰，其中包括：保持每個(gè)被運行的應用程序的性能可接受、共享可用的硬件資源、管理安全的域間通信。 滿(mǎn)足概念要求 Linux 作為得力的多任務(wù)操作系統已經(jīng)逐漸為汽車(chē)制造商所接受，它能運行高端的圖形化汽車(chē)應用程序、支持多種外圍設備，如相機、USB 設備、音頻和多媒體功能設備。駕駛員信息模塊 (DIM)、車(chē)輛報警系統和控制對計算資源要求不高，但仍需要確保性能和一個(gè)穩定的顯示屏顯示重要的安全狀態(tài)信息。為實(shí)現這些功能，采用安全的實(shí)時(shí)操作系統 (RTOS) 非常合適。車(chē)輛控制領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò ) (CAN)、FlexRay 或其它網(wǎng)絡(luò )獲取的信息可以提供給實(shí)時(shí)操作系統。 設計要求是將這兩個(gè)獨立的操作系統（Linux 和 RTOS）以及運行的應用程序整合到一個(gè)硬件參考平臺上，并且可以借助 AUTOSAR 4.0.3 標準界面（圖1）實(shí)現 CAN（車(chē)輛控制局域網(wǎng)）通信。車(chē)輛設計者必須整合消費電子設備已成事實(shí)，95%以上的市場(chǎng)通過(guò)提供對蘋(píng)果 iOS 和谷歌 Android 設備支持滿(mǎn)足這一需求。其它標準正在這一領(lǐng)域出現，Mentor 的概念驗證平臺包括 MirrorLink support、Apple CarPlay 和 Google Android Auto。 通過(guò)選擇多核參考平臺降低要素成本、實(shí)現硬件整合。這降低了車(chē)輛組件的數量以及電子線(xiàn)束設計的相關(guān)成本。所用 XSe AXSB 平臺搭載了德州儀器公司 (Texas Instruments) J6 多核 CPU（中央處理器和瑞薩電子公司 (Renesas) V850 MCU（微程序控制器）。AXSB 還包括許多針對以太網(wǎng)(ethernet)、串口 /USB、電臺調諧器、倒車(chē)攝像頭輸入電路和 CAN 收發(fā)器等眾多支持性外圍組件。一種基于 Yocto 且符合 GENIVI 的 Linux 發(fā)行套件已經(jīng)針對該平臺進(jìn)行了高度優(yōu)化，可實(shí)現快速開(kāi)機。而且，一些重要的 Linux 組件（如音頻管理和圖形管理層）已經(jīng)得到了“加固”。改善后的內存組件和引導裝載程序讓 Linux 操作系統在兩秒鐘之內就能正常運行，滿(mǎn)足汽車(chē)制造商對信息娛樂(lè )和導航系統的要求。 Mentor Graphics 的 Nucleus RTOS（實(shí)時(shí)操作系統）占用的資源少、啟動(dòng)快，因此被選作駕駛員信息模塊 (DIM) 的操作系統。該操作系統可配置性高、擁有一個(gè)針對流行的駕駛員信息模塊(DIM)圖形支持應用軟件的標準界面 Open GLES2。利用遠程協(xié)議消息（Remote Protocol Messaging， RPMsg）進(jìn)行穩定的通信，讓駕駛員信息模塊 (DIM) 軟件棧向信息娛樂(lè )系統和 AUTOSAR 軟件棧傳送實(shí)時(shí)數據。 消費電子集成 時(shí)下汽車(chē)制造商無(wú)法逃避的是 -- 需要支持基于蘋(píng)果 iOS 系統和基于谷歌 Android 系統的設備。通常智能手機和平板電腦制造商的創(chuàng )新周期不足一年，因此需要一種普遍支持的可以連接這些設備和車(chē)內電子系統的方法，并且在整個(gè)車(chē)輛使用年限之內這一方法都能用。早期的系統使用藍牙 (Bluetooth)，但藍牙技術(shù)沒(méi)有進(jìn)行多媒體整合的帶寬，也不支持后座娛樂(lè )的視頻流。USB 是一種公認的連接方法，Wi-Fi（無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )）車(chē)內鏈接正在逐漸用于視聽(tīng)信息傳輸，同時(shí)提供車(chē)內熱點(diǎn)從而支持多設備客戶(hù)。成立汽車(chē)連接聯(lián)盟 (CCC) 是為了推動(dòng)和提議 MirrorLink 成為行業(yè)整合智能設備的標準方法。借助 MirrorLink 可通過(guò)信息娛樂(lè )管理設備遠程訪(fǎng)問(wèn)、顯示和控制基于手機的應用軟件。執行者可以控制哪些應用軟件可用以及如何訪(fǎng)問(wèn) -- 是通過(guò)觸摸屏用戶(hù)界面還是安裝在方向盤(pán)上的按鈕。多設備制造商和車(chē)輛 OEM（原始設備制造商）是汽車(chē)連接聯(lián)盟 (CCC) 成員，有幾款采用了該技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)處于生產(chǎn)階段。蘋(píng)果公司 (Apple) 已經(jīng)推出具有類(lèi)似功能的專(zhuān)有 CarPlay 解決方案。 如今任何一款新車(chē)上都應擁有智能設備集成功能。它讓駕駛員能立即訪(fǎng)問(wèn)聯(lián)系人、音樂(lè )、視頻和最?lèi)?ài)的應用軟件，以及利用智能設備連接4G/LTE網(wǎng)絡(luò )。這樣可以實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)云服務(wù)，如導航、禮賓服務(wù)、個(gè)人電子郵箱等。Mentor 參考設計包括實(shí)施 MirrorLink 標準和可以通過(guò)10英寸觸摸屏界面執行所有智能手機的功能。 
圖 1：參考設計概要。 多重操作系統架構 運行虛擬機的虛擬層是一種允許 Linux 和 Nucleus RTOS 在一個(gè)硬件平臺上同時(shí)運行的簡(jiǎn)潔方式。每個(gè)操作系統在一個(gè)專(zhuān)用的虛擬機上運行并共享 AXSB 平臺上可用的硬件資源。不同操作域間的通信可以利用 RPMsg 協(xié)議用一種可控制的方法進(jìn)行，這樣應用軟件之間就可以共享一些數據。也可以通過(guò)設定權限來(lái)管理資源、拒絕對某些系統功能的訪(fǎng)問(wèn)。這樣在信息娛樂(lè )系統中可能安裝或下載了不可信或未認證的應用軟件時(shí)就可以進(jìn)行某種程度的隔離。 開(kāi)機順序也經(jīng)過(guò)了仔細考慮。通常車(chē)上的 CAN 總線(xiàn)通信應該在 50ms 內激活，但同時(shí)還要求信息娛樂(lè )和駕駛員信息模塊要快速完成初始化。在這個(gè)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(shí)運行。RPMsg 通信引擎快速啟動(dòng)，以便在域間傳送早期的交通狀態(tài)（圖2）。
圖2：?jiǎn)蝹�(gè)系統芯片(SoC)上的多域啟動(dòng)架構。 構建信息娛樂(lè )系統 概念驗證參考設計包括了一些功能樣例，包括軟件無(wú)線(xiàn)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(chē)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(lái)自汽車(chē)遠端的某一部分，低壓或輪胎完全沒(méi)氣時(shí)，相關(guān)信息必須優(yōu)先通過(guò) CAN 總線(xiàn)發(fā)送并立即顯示在駕駛員信息屏上。因為設定了顯示優(yōu)先次序，警示屏幕覆蓋了默認的信息娛樂(lè )主頁(yè)屏幕。 利用 CAN 信息生成器（ETAS BusMaster 模擬器）對該系統進(jìn)行了測試，見(jiàn)圖3。
圖 3：利用ETAS BusMaster 生成 CAN通信量測試參考設計。 調整開(kāi)機順序還用到了其它幾種工具，包括 Mentor Graphics XSe XSTrace 和 Mentor Graphics Sourcery Analyzer。通過(guò)監測初始化和開(kāi)機順序，駕駛員和進(jìn)程可以重新排序并節約寶貴的時(shí)間。開(kāi)機優(yōu)化是一個(gè)迭代的過(guò)程，不重要的系統任務(wù)和進(jìn)程會(huì )被及時(shí)地移出，為重要的汽車(chē)功能更早地出現讓路。 為確保 DIM 的幀刷新率達到60幀/s或更快還使用了圖形-性能微調工具。為確保車(chē)內信息娛樂(lè ) (IVI) 和 DIM 模塊在關(guān)鍵時(shí)刻收到圖形帶寬，GPU（圖形處理器）共享架構包括了負載平衡和資源優(yōu)化。這一進(jìn)程涉及 GENIVI Wayland 元件、Open GLES2 參與的多層調諧，以及用于顯示屏幕圖像的專(zhuān)有顯示工具層。對屏幕分辨率和性能之間的權衡進(jìn)行分析，從而保證可視性較高、性能優(yōu)于說(shuō)明書(shū)。 最終得到的是一個(gè)我們認為符合現有市場(chǎng)趨勢的概念設計，并且在當今競爭激烈的汽車(chē)市場(chǎng)上它可能具有節省時(shí)間和開(kāi)發(fā)周期的潛力。 結論 在當今快速發(fā)展的汽車(chē)電子市場(chǎng)上，從頭開(kāi)始設計已經(jīng)不可取 -- 它在研究上花費很多年的時(shí)間才能找到正確的解決方案。利用預先建立的參考設計概念，設計者可以選擇一些困難的性能和整合問(wèn)題得到解決的節點(diǎn)作為設計起點(diǎn)，在此基礎上加入他們自己的IP（知識產(chǎn)權）和最終的定制要求，從而縮短上市時(shí)間并搭載用戶(hù)直接可用的功能來(lái)滿(mǎn)足當前市場(chǎng)的需求。 作者簡(jiǎn)介 Andrew Patterson 是 Mentor Graphics 嵌入式系統事業(yè)部市場(chǎng)與業(yè)務(wù)發(fā)展總監。該事業(yè)部特別關(guān)注汽車(chē)電子，Andrew 最近負責了這一領(lǐng)域的多個(gè)產(chǎn)品項目，在多個(gè)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(dòng)化市場(chǎng)馳騁了20余年，精通的技術(shù)包括電子線(xiàn)束設計、汽車(chē)仿真模型開(kāi)發(fā)、虛擬原型和機電一體化。Andrew 擁有英國劍橋大學(xué) (Cambridge University) 的工程和電子科學(xué)碩士學(xué)位。 |
