深度解读汽车域控制器

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过去十多年的汽车智能化和信息化发展产生了一个显著结果就是ECU芯片使用量越来越多。从传统的引擎控制系统、安全气囊、防抱死系统、电动助力转向、车身电子稳定系统；再到智能仪表、娱乐影音系统、辅助驾驶系统；还有电动汽车上的电驱控制、电池管理系统、车载充电系统，以及蓬勃发展的车载 关、T-BOX和自动驾驶系统等等。

传统的汽车电子电气架构都是分布式的（如下图2-1），汽车里的各个ECU都是通过CAN和LIN总线连接在一起，现代汽车里的ECU总数已经迅速增加到了几十个甚至上百个之多，整个系统复杂度越来越大，几近上限。在今天软件定义汽车和汽车智能化、 联化的发展趋势下，这种基于ECU的分布式EEA也日益暴露诸多问题和挑战。

图2-2 域集中式EE架构

2.

域控制器市场概述

2018年，基于德尔福提供的域控制器技术，奥地利TTTech公司开发的zFAS控制器率先应用在奥迪A8当中。伟世通公司则推出了SmartCore域控制器，集成信息娱乐、仪表板、信息显示、HUD、ADAS等功能。这些产品开创了商用功能域控制器产品之先河，全球各大Tier 1供应商纷纷跟进，整个域控制器市场逐渐发展起来。

在国内市场，华为、德赛西威、航盛电子、东软等企业也推出了DCU解决方案，并得到了国内车企的采用。比如，2020年小鹏汽车推出的智能轿跑P7就采用了德赛西威基于英伟达Xavier打造的自动驾驶域控制器产品——IPU03。

当前，整个业界对DCU市场都有非常乐观的预期。据佐思产研的预测，2025年全球汽车DCU（座舱+自动驾驶）出货量将超过1400万套，2019-2025期间年平均增长高达50.7%。

ADAS域控制器正在从过去的分布式系统架构演变到域集中式架构。过去一套ADAS系统，要有好几个独立的ECU才能实现，比如车道偏移和交通识别ECU、前向碰撞预警ECU、泊车辅助ECU等。现在有了功能强大的集中式ADAS域控制器后，一个域控制器就实现了所有功能。系统的软硬件复杂度大大降低，可靠性也得到了提高。

目前业内提供ADAS域控芯片平台的有NVIDIA、华为、瑞萨、NXP、TI、Mobileye，以及国内本土的地平线和黑芝麻等多个方案。下表2-2总结了全球主要ADAS域控制器厂商及其客户和伙伴信息。

表2-2 全球主要ADAS域控制器厂商信息

域控制器发展趋势

域控制器的兴起对传统的汽车MCU厂商造成了极大的挑战，“因为MCU使用量将大大减少，传统的MCU产品其演进路线将不复存在”。

在分布式ECU时代，计算和控制的核心是MCU芯片，传输的基础核心是基于传统的CAN、LIN和FlexRay等低速总线。但在域控制器时代，高性能、高集成度的异构SoC芯片作为域的主控处理器，将成为域控制器的计算与控制的核心芯片。而汽车TSN（Time-Sensitive Network）以太 因为具有高带宽、实时和可靠的数据通信能力等特点，必将成为整车通信的核心基础设施，尤其是域主控处理器之间的通信主干 。

下面我们来简单分析一下域控制器以及核心的主控处理器的一些关键技术和趋势。

3.1 高性能

总的来说，对算力的需求提升一直是域控制器核心芯片发展的主要推动力。一方面原本由多个ECU完成的功能，现在需要依靠单一的域主控处理器来完成，并且还需要管理和控制所连接的各种传感器与执行器等。比如：底盘、动力传动系统和车身舒适电子系统的域主控处理器，其算力需求大约在10000DMIPS-15000DMIPS左右。

双核锁步CPU是一种CPU冗余技术，在一个芯片中包含两个相同的处理器，一个作为master core，一个作为slave core，它们执行相同的代码并严格同步，master可以访问系统内存并输出指令，而slave不断执行在总线上的指令（即由主处理器获取的指令）。slave产生的输出，包括地址位和数据位，发送到比较逻辑模块，由master和slave总线接口的比较器电路组成，检查它们之间的数据、地址和控制线的一致性。检测到任何总线的值不一致时，就会发现其中一个CPU 上存在故障，但不会确定是哪个CPU故障。

这种CPU架构使得CPU自检独立于应用软件，不需要执行专门的指令集自检，实际运行的软件指令在每个时钟都进行比较，只需要测试软件用到的CPU资源，但这种架构不会对内存和总线进行检测，需要增加单独的检测方法以避免两个CPU的共模故障。

3.7 络卸载引擎

汽车 络会存在多种通信总线。骨干 未来势必会基于TSN以太 来构建，但是从域主控处理器到ECU或者传感器之间的通信则仍然是基于传统的车载低速总线，比如：CAN、FlexRay等。域主控处理器作为域控制器的核心，是所有ECU和传感器通信的汇聚中心。因此如果要依靠CPU的算力来完成不同总线间的协议转换，以及跨域通信的 络包处理的话，势必会占用宝贵的CPU算力资源。

因此基于硬件来实现 络协议转换处理的 络卸载引擎，对于各个域（包括中央 关）的域主控处理器是非常重要的技术。

3.7 Security引擎

连接性（Connectivity）是汽车智能化发展的一个很重要的趋势，未来的汽车一定会像今天的手机一样随时保持连接到互联 中。因此如何阻止未经授权的 络访问，以保护汽车免于受到黑客的攻击，对未来的智能汽车而言就会变得极为重要。下一代硬件安全模块（Hardware Security Module，HSM）正在成为下一代车载 络通信的重要基础设施之一。

HSM对于完全的安全车载通信（Secure Onboard Communication，SecOC）是必不可少的。HSM能确保所接收到的数据的真实性，防止攻击者绕过相关的安全接口，入侵车载 络。

基于硬件的安全模块主要解决两个问题：

1. 密钥泄漏问题：如果密钥存储在应用程序的代码或数据中，很容易被泄漏。所以有必要增加一个硬件模块，专门存储密钥。
2. Crypto算法加速：通过内核来直接进行加密或解密运算会占用大量CPU算力资源。因此，有必要通过硬件模块来进行加密解密算法的加速。

SHE（Secure Hardware Extension）标准是由奥迪和宝马公司合作制定的、针对硬件安全模块HSM的规范，它主要包括密码模块的硬件、硬件软件接口。这个规范已被广泛接受，很多针对汽车行业的微处理器都支持这个规范。

3.8 面向服务的软件架构SOA

ECU原先运行的软件大多数是按照Classic AutoSAR规范开发的软件系统，其中的应用软件一般都是静态调度（Static Scheduling）模式的，也即在系统运行时，程序中不同功能的函数按照事先定义好的排序文件依次调用、逐个运行。静态调度的优点是资源分配问题都是事先安排好的，车辆量产后就不会再改变，每个功能对应的函数代码具体运行时间也被提前锁定，是确定性的。因此这种设计对于汽车上很多对功能安全要求苛刻的场景是非常适合的。比如：决定安全气囊是否打开的功能函数就是固定地每隔几毫秒运行一次，以便紧急情况下可以及时打开。

承载计算和控制的底层硬件从分散的多个ECU集中到多核、异构的高性能域主控处理器后，相应的软件也会从分散向集中、从简单向复杂、从静态向动态进化。下图2-7显示了以后汽车域控制器上的典型软件架构：

• 操作系统层：最底层利用Hypervisor虚拟化技术对硬件资源进行分区(partition)，从而可以在每个虚机运行不同的操作系统。比如在上图中，虚机VM1中运行兼容POSIX实时操作系统标准（比如PSE 52）的RTOS，RTOS上通常要承载功能安全相关的应用和服务；虚机VM2中运行Linux这种完全POSIX标准的分时操作系统，上面通常运行管理相关的功能和服务；虚机VM3中运行的可能是原来在ECU上运行的Legacy应用。
• 中间件层：操作系统是不做任何与“车”特定相关工作的。为了让域主控处理器在汽车场景下使用，需要有很多软件或者中间件用于让域控制器满足汽车的电源管理标准、 络管理标准以及诊断标准等；车载域控制器需要比一般工业嵌入式系统有更高的可靠性要求，这样就需要在计算机OS基础上再附加对存储和通讯等各方面的安全保护和容错机制；同时，位了让车载域控制器能够在整车EE架构下运行，还需要提供时钟同步、日志跟踪以及服务管理和发现等功能。Adaptive AutoSAR规范定义了运行在Linux或者完全兼容POSIX 1003.1标准RTOS上的这一层与“车”相关的中间件标准；而传统运行在POSIX子集的RTOS或者BareMetal模式的中间件规范则由Classic AutoSAR标准定义。
• 应用层：上层应用基于AutoSAR标准的中间件来进行开发。随着汽车智能化和 联化相关的功能越来多，上层应用软件也越来越复杂。位了降低单个应用的整体复杂性，我们可以借鉴互联 的面向服务架构（SOA）的软件设计思想，将一个复杂应用拆分多个服务。每个服务实现得尽可能小，尽量实现成无状态方式的服务，以利于整个系统的开发、测试和软件重用。服务与服务之间通过事件或者消息总线（发布/订阅工作模式）来进行通信，并降低互相之间的耦合度。通过服务配置来管理服务之间的依赖性、服务的部署和启动，以及服务的健康状态检测等。

汽车以太 给车载系统通信带来一个革命性的变化，在中央计算式汽车EE架构下，整个车载系统可以被看作是一个分布式 络系统：中央计算平台是一个小型服务器集群，区域计算平台是边缘计算节点。在互联 或者大型分布式系统中，SOA架构设计理念已经被广泛使用了。因此当IP 络技术被广泛应用于汽车后，很多在互联 或者分布式计算中已经很成熟的软件技术，自然会被借鉴到新的汽车软件架构设计中来，比如：RPC技术、事件/消息总线、RESTful API设计等。

大型互联 数据中心中的服务器集群动辄几百、上千台服务器，每秒百万、千万级别的并发。车载系统尽管可以被看作是一个分布式 络系统，但是它却没有互联 大型服务器系统的高并发特征，相反，它更注重通信的实时性和可靠性。

车载系统在物理上是向集中式发展的，也就是原来通过多个分散ECU来实现的功能，渐渐集中到几个主要的高性能域控制器上。因此，尽管在软件设计上，我们会尽量按照SOA的思路拆分成一个一个小的服务，但是这些服务在部署上其实是集中式的。鉴于这种物理部署上的“集中”与运行时的“分布式”并存的特点，因此我们可以通过一系列技术手段来优化服务与服务之间的通信延迟（比如：通过共享内存技术）。这是车载分布式系统与互联 强调高并发特性的分布式系统之间另一个显著的差别。

4.

小结

域集中式EE架构会是未来相当长一段时间占主要地位的汽车EE架构，域控制器作为域集中式EE架构的核心，会在整个汽车产业链中占据越来越重要的地位。其相应的芯片和硬件方案、操作系统和算法等将会成为整个产业链各上下游厂家的争夺焦点。

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