汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法、體系架構(gòu)和流程

鄭 振，張仲穎

（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰 442000）

1 研究嵌入式系統(tǒng)和汽車電子系統(tǒng)內(nèi)涵

汽車電子產(chǎn)品可以對(duì)汽車行駛性能產(chǎn)生作用，如果依照其作用對(duì)它進(jìn)行分類，大致分成兩類：①汽車電子控制裝置，有時(shí)還稱為“機(jī)電結(jié)合”的汽車電子裝置，它的作用主要體現(xiàn)在控制上，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它就是包括電子燃油噴射、防抱死、牽引力控制等控制系統(tǒng)；②車載汽車電子裝置，主要是指基于汽車環(huán)境的電子裝置，它的作用主要體現(xiàn)在信息的處理上，具體的有汽車信息系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、車載通訊系統(tǒng)、電視娛樂(lè)系統(tǒng)等。作為汽車電子設(shè)備核心的汽車的嵌入式系統(tǒng)，主要是由軟件和硬件組成的，其中軟件主要是由操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、引導(dǎo)程序，驅(qū)動(dòng)程序等組成，硬件主要包括嵌入式微處理器、外圍接口電路、儲(chǔ)存器等。嵌入式系統(tǒng)中最為常見(jiàn)的形式就是往控制對(duì)象的內(nèi)部嵌入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，通過(guò)這種網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部外部信息的及時(shí)響應(yīng)，最終構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)式控制系統(tǒng)。

2 基本模型的開(kāi)發(fā)方法

與汽車嵌入式系統(tǒng)正在朝著復(fù)雜化發(fā)展的同時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)在時(shí)空跨度上也正在逐步變大，在此期間，基于模型的開(kāi)發(fā)方法產(chǎn)生了，而且應(yīng)用的十分廣泛。這一開(kāi)發(fā)方法就是一種軟件設(shè)計(jì)方法，而且它也是基于模型，它的只有流程如下。第一步：在某種特定建模語(yǔ)言的支持下按照嵌入式系統(tǒng)的預(yù)期功能要求建立模型；第二步：針對(duì)軟件系統(tǒng)中那些比較關(guān)鍵的問(wèn)題實(shí)行抽象化處理，在此期間描述系統(tǒng)解決方案；第三步：將系統(tǒng)模型在形式化的工具條件下進(jìn)行驗(yàn)證，讓嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性得到保障。概念設(shè)計(jì)和交流、設(shè)計(jì)信息文檔化和管理、系統(tǒng)分析與系統(tǒng)綜合是實(shí)現(xiàn)方法過(guò)程中的四個(gè)大方面，在此本文將對(duì)這四個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述：①概念設(shè)計(jì)和交流：為了實(shí)現(xiàn)概念的交流，將系統(tǒng)由一個(gè)或者多個(gè)可以共享的模型來(lái)表示是設(shè)計(jì)汽車嵌入式系統(tǒng)的核心內(nèi)容，如果所建立的模型可以完整的描述系統(tǒng)的行為，那么驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以借助建立模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。②設(shè)計(jì)信息文檔化和管理：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)階段、維護(hù)階段和回收階段中文檔都起到了舉足輕重的作用，但是目前文本的文檔管理的滯后性已經(jīng)在實(shí)際中明顯的表現(xiàn)出來(lái)了，為此現(xiàn)在要想描述清楚信息與信息間關(guān)系就必須基于模型對(duì)信息進(jìn)行管理。③系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分析作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和推測(cè)手段，其方法就是通過(guò)分析結(jié)果進(jìn)而判定目前所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的行為能否達(dá)到預(yù)期要求，在汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中這一手段的作用特別明顯，也就是運(yùn)行環(huán)境對(duì)系統(tǒng)有重要影響所以在汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中要隨時(shí)考慮其對(duì)系統(tǒng)的影響，為此在系統(tǒng)分析中這一技術(shù)手段比傳統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)更加具有優(yōu)勢(shì)。④系統(tǒng)綜合：利用專用工具直接生成或輔助生成系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)文檔?，F(xiàn)在，多種自動(dòng)綜合的應(yīng)用在汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中已經(jīng)得到了成功應(yīng)用，其中基于模型的自動(dòng)生成產(chǎn)品代碼最為常見(jiàn)，這個(gè)應(yīng)用及時(shí)依靠圖形化工具或建模語(yǔ)言描述系統(tǒng)的特性與行為。

3 AUTOSAR的體系架構(gòu)

（1）復(fù)雜驅(qū)動(dòng)模塊主要就是操作復(fù)雜的執(zhí)行器和傳感器。一般情況下時(shí)序問(wèn)題經(jīng)常影響復(fù)雜驅(qū)動(dòng)模塊，就是說(shuō)在AUTOSAR沒(méi)有經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的情況下，在復(fù)雜驅(qū)動(dòng)層將會(huì)有這類模塊的映射。

（2）運(yùn)行環(huán)境層主要為應(yīng)用層提供所需要的通訊服務(wù)，另外ECU具體應(yīng)用直接影響著PTE層的實(shí)現(xiàn)，就是必須分別實(shí)現(xiàn)每個(gè)ECU。

（3）抽象化處理ECU結(jié)構(gòu)是ECU抽象層的主要功能，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是有外設(shè)ECU的聯(lián)接方式等；各硬件接口的統(tǒng)一化一般是有微控制器的抽象層（MCAL）來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是對(duì)硬件進(jìn)行相應(yīng)處理，由此避開(kāi)微控制器中的寄存器直接連接到高層軟件。

（4）服務(wù)、操作、通訊等系統(tǒng)模塊組成了服務(wù)層，基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用模塊的操作系統(tǒng)服務(wù)、ECU狀態(tài)管理和診斷服務(wù)、汽車網(wǎng)絡(luò)通訊與管理服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)等都由服務(wù)層提供。

（5）執(zhí)行器軟件組件、傳感器、應(yīng)用軟件等是應(yīng)用層組件，其中借助PTE實(shí)現(xiàn)ECU資源訪問(wèn)和內(nèi)部通訊的是軟件組件。

4 基于V模式的開(kāi)發(fā)流程

開(kāi)發(fā)環(huán)境、編程環(huán)境、測(cè)試環(huán)境在V模式開(kāi)發(fā)流程中系統(tǒng)是允許相同的，此外還可以針對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所涉及步驟進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)證。在簡(jiǎn)化和加速開(kāi)發(fā)流程方面基于V模式的開(kāi)發(fā)方法起到了十分重要的作用。下面的圖4-1清晰地表達(dá)了基于V模式的開(kāi)發(fā)流程。由圖可知，有五個(gè)重要步驟決定了基于V模式的開(kāi)發(fā)流程，它們具體是指：①需求定義與功能設(shè)計(jì)；②快速控制原型（RCP）；③測(cè)試與標(biāo)定；④硬件環(huán)境（HIL）；⑤目標(biāo)代碼生成。下面將對(duì)這五個(gè)步驟進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖4 -1基于V模式的開(kāi)發(fā)流程

（1）需求定義與功能設(shè)計(jì)。根據(jù)MATLAB/Simulink環(huán)境和系統(tǒng)的預(yù)期功能要求，開(kāi)展圖形化建立模型，以此為基礎(chǔ)建立所控制對(duì)象模型和控制器模型，在此期間對(duì)兩者進(jìn)行離線仿真和實(shí)地分析。

（2）快速控制原型構(gòu)。隨時(shí)構(gòu)建仿真模型，并且在原型系統(tǒng)中直接載入所建模型，使其連接實(shí)際所要控制的對(duì)象，進(jìn)而方案的可行性利用測(cè)試來(lái)驗(yàn)證。

（3）測(cè)試與標(biāo)定。測(cè)試與標(biāo)定ECU抽象層就是該環(huán)節(jié)的主要任務(wù)，并對(duì)ECU參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)整

（4）硬件環(huán)境。讓整個(gè)系統(tǒng)在真實(shí)的控制器中進(jìn)行測(cè)試，為此系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和被控對(duì)象靈活采用實(shí)時(shí)物體和仿真模型。

（5）目標(biāo)代碼生成。利用Targetlik或EmbeddedCode等軟件轉(zhuǎn)化模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)生成代碼的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法、體系架構(gòu)、開(kāi)發(fā)流程直接影響著汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的高效性和可靠性。本文筆者簡(jiǎn)要闡述了企業(yè)的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法、體系架構(gòu)與開(kāi)發(fā)流程。通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，基于模型的開(kāi)發(fā)方法、AUTOSAR的體系架構(gòu)、基于V模式的開(kāi)發(fā)流程很大程度上可以使汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)體系的可靠性和完整性得到保證。