嵌入式软件加速今日汽车的连接性与创新

现在正是汽车产业最令人振奋的时刻。当谈到今日的新型汽车时，消费者与汽车OEM业者都能适应于正在改变的产业样貌。毫无疑问地，为了满足消费者对于车舱内丰富多媒体体验越来越高的期待，汽车制造商正面临着多项挑战。对汽车制造商来说，建立安全平台、解决内部与外部的汽车通讯连接需求是最重要的考量。此外，由于需要遵循严格的功能安全与信息安全规范及需求，会使这些挑战变得更为困难。

为了让OEM业者成功并保持领先，有几项趋势特别值得重视。首先，今天，业界正朝整合式的车载体验移转，不再是传统各 不相同的分散领域。此趋势主要是受到期望汽车能提供与消费性装置类似的行为与回应所驱动。此外，汽车的电气化(electronification)已使整辆汽车可产生大量的数据。这些数据需要被整合、处理、并实时呈现，才能为汽车驾驶与乘客所使用，因此整合式解决方案的需求便应运而生。

最后，成本议题将变得更为重要，因为OEM业者在设计与建置车载体验时，需要满足大量预定的安全和品质条件。在持续研发与降低成本的同时，挑战的因应之道在于创新。在此趋势发展下，嵌入式系统势必会在快速兴起的汽车电子领域中扮演关键的角色。

横跨不同领域的整合式车载体验

汽车电子已历经稳步的进展，从不需要嵌入式操作系统的简单电子控制单元(ECU)开始，到今日需要多重操作系统的复杂多功能ECU。过去，嵌入式操作系统被视为个别的独立单元，但由于效能与安全的理由，现在已不再如此。

操作系统已成为今日汽车中的关键元件，不管对汽车内部、以及路边基础架构、云端或其他的汽车，它对装置的功能安全、信息安全以及通讯连接性都将带来直接的影响。

通讯连接性需要在汽车内部满足各种的实体网络通讯需求。传统的车用网络技术，像是CAN、FlexRay与LIN，都将透过以太网络、以太网络音讯视讯桥接(eAVB)、汽车音讯汇流排(A²B)、以及无线解决方案等技术获得进一步的增强。为了管理复杂性，个别网络的设计通常都是根据特定应用的需求，并利用闸道器ECU把不同的汽车领域连接在一起。

功能强大的SoC与软件系统的结合，可让汽车制造商考虑采用新的整合式系统架构。例如，一个共同的IVI(车用信息娱乐系统)与驾驶信息座舱，不仅能显示信息娱乐选择，还能提供来自不同来源的汽车运转数据，包括速度、引擎状态、安全指标(LDWS车道偏离警示数据)等。

ECU与模块的整合

联网汽车要求ECU提供比以往更多的功能。在目前的高级房车中，大概会有超过100个ECU；未来的趋势是从8、16位元微控制器移转到以32位元微控制器为基础的系统SoC，再进一步到多核心架构。随着复杂SoC的硬件成本持续下降，以及硬件效能与功能的持续提升，此趋势是很合理的。

随着电子元件的数量增加，模块整合的需求便日益明显。由于多颗新的ECU被加到汽车架构中，因而产生了一些问题。汽车线束的复杂度与重量会跟着增加。汽车中越来越多的ECU数量也会使标准化议题更受到重视。

随着硬件平台的演进，会带来重新设计软件，以及可能需要重新架构系统的挑战，才能移动或整合不同模块间的功能性。诸如汽车开放系统架构(AUTOSTAR)的业界合作计划，已针对各种汽车软件架构的开放标准建立取得了杰出的成果，来解决这些议题。AUTOSAR是由汽车OEM业者、电机供应商、芯片制造商、以及软件公司等各产业的业者所共组。

联网信息娱乐系统

新型汽车的信息娱乐系统需与更多的功能相互运作，因此通讯连接的概念已变得更为广泛。新式的信息娱乐系统就像是一个驾驶舱，透过它，驾驶与乘客能够掌控汽车中各种数据的产生与传输。为了收集来自各个ECU的数据，信息娱乐系统需要与汽车网络连接，并回报其状态。

对外部来说，则需要与智能装置相连，而且越来越依赖透过Apple CarPlay、Google Android Auto与MirrorLink等应用程序与技术来实现。此外，随着自驾车的出现，信息娱乐系统的功能现在必须还能与其他的汽车、以及外部世界串连。因此，信息娱乐系统的操作系统，特别是在车内主机(head-unit)里，已成为汽车的大脑一样。

由于预期将拥有更多的功能并执行更多的任务，由嵌入式系统构成的驾驶舱便成为其中的关键技术。明导国际已投入一项称为Connected OS的概念，以支持新一代解决方案许多层面的整合与连接需求，才能大幅增强车载体验(图一)。

以消费性电子的脚步来推动创新

Connected OS软件是一个模块化、基于GENIVI的Linux平台，并具备增强的电路板支持套件(SuperBSP)以及最佳化的中介软件层(OPTstack)。此外，软件平台可提供包括快速开机、立即启动、以及最佳化音讯／视讯功能等关键技术 ─ 这些都是建构先进汽车应用所必备。

此平台的一个可能范例是，紧密整合的Connected OS架构可实现快速的系统启动以及音讯／视讯功能，这对满足配备备用摄影机的信息娱乐系统需求来说，是很重要的。

此外，Connected OS还提供对eAVB、以及A²B等新兴网络技术的中介软件支持。预先整合的eAVB软件堆叠特别有助于开发要求低延迟、实时通讯的应用程序，如ADAS所需的应用(图二)。

此外， eAVB协定支持与视讯处理的结合，能让基于Connected OS的系统提供后座娱乐(RSE)这类的功能。Connected OS中的eAVB堆叠是根据IEEE AVB标准所开发，并遵循AVnu Alliance。它支持的IEEE标准包括IEEE 802.1AS、802.1Qat、802.1Qav、1722.1和1733。同样地，Connected OS对A²B软件堆叠的支持可让汽车制造商以更低的系统成本开发音讯网络，并提供增强的车载音讯体验。

Connected OS是一套基于软件的解决方案，可高度定制化，能提供汽车制造商足够的灵活性，以为其车款以及车款的整体生命周期进行创新与扩展。

管理成本  并满足安全与品质目标

功能安全与信息安全一直是汽车制造商的首要任务，随着自驾车的进展，更多无线「攻击弱点」的出现，会带来潜在的黑客与外部来源干扰。信息安全必须在汽车架构的每个层面都考虑到，从硬件到嵌入式软件，一直到应用程序与人为因素。尽可能地，软件缺陷要降至最少，因此关键安全软件的穷举测试(exhaustive testing)策略将持续演进。

透过谨慎地分割，关键安全元件能够被隔离，并能与更复杂的系统分开进行验证，因为复杂系统的充分验证是更困难的。明导国际已推出混合关键性 设备丛集(mixed-criticality instrument cluster)解决方案，让认证过的关键安全性图形指示与丰富的3D绘图结合在单一屏幕上(图三)。

关键安全绘图是在安全的硬件区域中运作，并在独立的关键安全Nucleus SafetyCert RTOS上执行，因而可确保安全，使其免于受到外部干扰与阻断式服务的攻击。

支持多个操作系统

Connected OS的概念不仅是涵盖基础的Linux操作系统而已。新的多核心架构能支持多个操作系统，并让它们之间彼此紧密通讯。举例来说，这些操作系统包括AUTOSAR基础软件(BSW)操作系统、Nucleus RTOS这类的实时操作系统、甚至链结至原生执行Android，或是Linux container(LXC)。

一旦采用多个操作系统，可利用Remote Processor Messaging (线上处理器传讯；RPMsg) 和 VirtIO等协定来实现安全的通讯，因此一个领域中产生的信息能够被传送到另一个领域(图四)。例如，电话状态信息，能够在安全驾驶信息丛集上显示。在多核心框架上分隔区域，或利用嵌入式hypervisor，能让安全与隔离性被妥善管理，并同时实现最佳的效能。

结论

在今日的量产汽车中，嵌入式软件的数量与价值均持续成长，因此汽车制造商必须确保，他们采用的是能让系统安全互动的最新技术。透过谨慎采用业界标准与开源软件来降低开发成本，已变得比以往更为重要，而像明导国际这类的专用平台供应商正为Tier 2供应商设立新的标准，协助Tier 1与其汽车OEM业者能以最适切的技术创新达成生产时程的目标。更多信息欢迎至网站查询。

作者介绍

Anil Khanna是明导国际嵌入式系统部门(ESD)资深经理，负责为明导的汽车产品解决方案，包括IVI、驾驶信息与音讯应用，制定产品行销策略。Anil拥有超过15年的技术与产品行销经验，特别是在ASIC、FPGA与嵌入式系统领域。在担任此职务之前，Anil曾负责明导RTL与高端(C到RTL)合成技术的全球市场开发。Anil拥有美国奥勒冈州波特兰州立大学的电机与电脑工程硕士学位。

Andrew Patterson是明导国际嵌入式软件部门(ESD)的业务开发总监，专精于汽车市场。在加入明导之前，Andrew在设计自动化市场拥有超过20年的经验，专长于线束设计、汽车模拟模型开发、虚拟原型以及机电系统等多项技术。目前，他专注于与GENIVI业界联盟合作，并负责明导的信息娱乐与车载电子丛集和资通讯解决方案。Andrew拥有英国剑桥大学工程与电机科学硕士学位。