作者：

Ronny Schulze，微控制器高速通信負責人

Thomas Liebetrau，汽車系統業務主要負責人

汽車行業目前面臨著重大挑戰。一方面，車輛管理平臺的種類正迅速增多，對可擴展性和模塊化開發的要求也隨之水漲船高。另一方面，部分或全自動駕駛以及“聯網汽車”的發展趨勢，要求融入新功能，并構建更強大的車載ECU網絡。而E/E架構的復雜性不斷增加，對通信技術的要求也隨之提高。

以太網通信功能作為目前正在開發的眾多車輛管理平臺的一個重要組成部分，是實現高度可擴展的面向服務的車輛架構的前提。此外，CAN、FlexRay和LIN等經典總線系統仍然是架構的重要組成部分。對于這些不同總線系統之間的通信，可以利用集中網關功能，也可通過跨不同域控制單元的分布式網關功能來實現。

對于此類系統的開發，支持不同通信系統交互的硬件平臺已經可以在項目早期階段提供有價值的幫助。英飛凌汽車網關評估板就是這樣的平臺，支持多種不同的網絡接口。它具有多個Realtek以太網接口。兩款新一代AURIX? TC397微控制器具備十分強大的計算能力。這樣就能在傳統網絡與汽車以太網之間實現強大的連接 。

汽車架構的演變

如今，習慣上將車輛劃分為多個功能域（如動力總成、安全、車身、信息娛樂、底盤、駕駛輔助等），這些功能域通常獨立運行，并通過獨立的總線系統相互聯網。對于這些域之間的數據交換，需要利用一些通常稱為網關的功能來完成。網關可以是一個獨立的ECU，也可以是功能單元的一個組成部分。圖1顯示這種架構的一個示例。

- 圖1 -

汽車制造商的內部組織結構通常按照這種功能分類，這有助于域內功能的開發。不過，這種體系結構存在劣勢，特別是在域之間的交互方面。此外，在向ECU分配功能方面，該結構過于僵化，缺少靈活性。新功能通常需要自己的ECU；汽車供應商通常會開發軟硬件結合的黑盒式解決方案。這種結構將限制一個高冗余系統的模塊化和可擴展化。

不過，功能復雜性的日益增加，要求更強大的功能聯網、更高的可擴展性和新功能的快速實施。因而，可擴展的分層結構能更好地契合這些需求。圖2顯示這種變化的原理。

- 圖2 -

這一架構演進的第一步已經在面向新的車輛管理平臺進行開發。將車輛劃分為多個域的做法仍將保留，但現在支持更集中的計算能力。強大的域控制器集成許多功能，所需的計算能力顯著提高。一些制造商將通過層級結構中額外的ECU來組合諸多功能。在這種架構的較低層級，ECU結構不會發生如此根本變化。制造商標準ECU可用于此方法；車輛的更新程度仍是可控的。圖3顯示這種架構的一個示例。

圖3 -

中央網關充當域之間的接口以及用于連接外部世界的“連接網關”。另外，在計算層，圖中所示的域控制器也需要網關功能。

關于架構的下一步演變正在討論中，這要求對車輛制造商的內部組織結構進行更徹底的變革和可能性調整。區域的定義是，區域會根據功能在車輛中的位置對其進行組合。不再將區域控制單元固定分配給原始域；這樣的ECU可能會在一個盒子中涵蓋各種功能。博世于2016年提出了該架構的基本理念。一些著手研究其實施應用的汽車制造商正在開展相關項目。第一個實施項目可回溯到2019年2月 ［2］。這種方法的主要優點是顯著減少了布線工作量，這對線束的重量和成本都有積極影響。不過，引入這種架構的開發工作量要大得多；我們預計，在下個十年中期之前主要汽車制造商不會實施。

以太網在汽車網絡中的應用

朝著由區域界定的通信結構邁進的上述演變進程都預先假定：數據在車輛內高速分布和傳輸［2］。許多應用需要確定性行為，即可預測的延遲。汽車以太網帶來一種可能的解決方案。通過100Base-T1和1000Base-T1的低成本雙絞線進行以據傳輸，可實現快速的數據傳輸。針對確定性行為，以太網提供了多種TSN（時間敏感型網絡）標準。對于TSN協議的應用也帶來了一些挑戰；目前尚不清楚車輛制造商將使用哪種相應的標準。多數情況下，這些標準要求結合軟硬件解決方案來實現時間受控的、確定性數據傳輸。為保證整個車輛網絡中的確定性數據傳輸，所有ECU都需要具備這一功能。它適用于帶AUTOSAR軟件組件的嵌入式微控制器、支持Linux操作系統的微處理器，以及集成CPU的以太網交換機。因此，未來軟件的復雜性將持續增加，這將對汽車零部件制造商構成巨大挑戰。

如今，經典的CAN 2.0、CAN-FD、LIN和FlexRay等現有網絡開始逐步連接到基于以太網的ECU。這些連接需要在所謂網關中實現由軟件實施的協議轉換。最初，在這樣的網關中，CAN數據包的傳輸是通過以太網進行的。在這種情況下，正在討論將現有信號遷移到面向服務的架構（SOA）。

合適的硬件平臺有助于研究處于早期開發階段的新型通信結構。它們可以帶來進行測試和驗證的無數可能，以便將創新結構安全可靠地集成于未來的車輛平臺。

英飛凌汽車網關平臺

憑借首個汽車網關平臺，英飛凌提供了一個開發平臺用于測試基于以太網的新型車輛系統。它具有一個可擴展的模塊化系統，緊跟車輛通信當前趨勢。來自Realtek的一臺汽車以太網交換機提供五個汽車用100Base-T1以太網端口。AURIX? TC397具有強大的多核架構，通過1Gb/s以太網接口連接到交換機，并支持多種協議：

· 音頻視頻廣播（AVB）協議（IEEE1722標準）

· 精確時間協議（PTP）（IEEE802.1AS標準）

· 基于信用和時間的整形器（IEEE802.1Qav/Qbv標準）。

連接到交換機的另一個1Gb/s以太網端口用于接入標準IT網絡。該平臺具有12個CAN-FD通道、4個FlexRay通道和4個LIN通道，可提供一系列通信選項。

- 圖4 -

第二個AURIX?微控制器提高了性能，并服務于一些經典網絡節點（CAN 2.0、CAN-FD、LIN和FlexRay）。兩個組件都通過兩條320 Mbit/s高速串行接口（HSSL）連接。這是一種簡便快捷的處理器間通信方式，可以在兩個AURIX?設備的CPU之間交換數據。

圖5顯示該模塊的框圖。除上述通信接口外，還提供TPM 2.0模塊（可信平臺模塊）。因此，該開發平臺能支持車輛通信中最熱門的話題之一：汽車安全。開發人員可以利用各種機制來確保實現車輛網絡中的安全通信：

· 實施基于以太網的協議，如TLS/DTLS或MACsec

· SecOC用于實現經典車載網絡（如CAN-FD）的擴展安全

· 硬件安全模塊（HSM）作為AURIX TC3x系列的一部分，支持汽車標準“Evita Full”

· 英飛凌推出的TPM 2.0（可信平臺模塊）通過SPI連接到其中一個AURIX微控制器

- 圖5 -

由AURIX微控制器及其HSM支持的典型網關用例，包括防火墻、流量整形、無線安全軟件更新、入侵檢測和防御系統（IDPS）和安全車載通信（SecOC、TLS、IPSec）。

TPM是一種安全加強的可信平臺模塊（TPM），它基于支持防篡改微控制器的全球標準，采用先進安全技術。TPM標準規定了一系列功能，其中包含100多個支持生成、存儲和使用加密密鑰及安全關鍵數據的功能。了解在汽車應用中使用TPM的詳情，請參閱［3］。

展望

車輛架構的演變將在未來幾年持續進行。基于域的可擴展架構是具有現代功能和高度連接性的車輛的基礎。緊隨其后的是基于區域的架構，盡管在實施方面存在一些挑戰，但可以節省成本和減輕重量。因此，英飛凌汽車網關平臺將在未來繼續發展。英飛凌將與來自汽車行業的合作伙伴討論更多平臺，以便能夠在快速發展的車輛通信領域開發特定應用。這將有助于在早期階段分析未來趨勢，以準備相應的解決方案。

參考文獻：

［1］ Martin Hiller、Volvo Cars：Towards a central computing architecture for in-vehicle E/E systems（朝著面向車載E/E系統的中央計算架構邁進）；2019年慕尼黑汽車以太網大會

［2］ Helge Zinner等：Automotive E/E Architecture evolution and the impact on the network（汽車E/E架構演變及對網絡的影響）；IEEE802全體會議，溫哥華，2019年3月，802.1 TSN

網址：http://ieee802.org/1/files/public/docs2019/dg-zinner-automotive-architecture-evolution-0319-v02.pdf，2019 年 8 月 13 日訪問的網頁

［3］ Florian Schreiner、Andreas Fuchs：Enabling TPM 2.0 with an open source software stack for industrial and automotive applications（啟用針對工業和汽車應用的支持開源軟件堆棧的TPM 2.0）；2019年紐倫堡嵌入式世界展