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傳統(tǒng)汽車工程技術(shù)人員面對新架構(gòu)的難點(diǎn)

2021-03-14 21:01:02·  來源：汽車電子與軟件  
　
傳統(tǒng)汽車工程技術(shù)人員，在面對汽車新架構(gòu)開發(fā)的過程中，經(jīng)常會表現(xiàn)得有點(diǎn)不知所措，最根本原因，是原有知識背景和對工程體系的認(rèn)知框架，在面對大量的計(jì)算機(jī)、IT和通信行業(yè)的跨界技術(shù)的時(shí)候不匹配。 如果說將傳統(tǒng)汽車架構(gòu)向智能汽車架構(gòu)的演進(jìn)，類比為傳統(tǒng)手
傳統(tǒng)汽車工程技術(shù)人員，在面對汽車新架構(gòu)開發(fā)的過程中，經(jīng)常會表現(xiàn)得有點(diǎn)不知所措，最根本原因，是原有知識背景和對工程體系的認(rèn)知框架，在面對大量的計(jì)算機(jī)、IT和通信行業(yè)的跨界技術(shù)的時(shí)候不匹配。
 
如果說將傳統(tǒng)汽車架構(gòu)向智能汽車架構(gòu)的演進(jìn)，類比為傳統(tǒng)手機(jī)向智能手機(jī)的迭代，個(gè)人認(rèn)為不是很貼切，但是這里面在一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上是共通的：傳統(tǒng)手機(jī)和智能手機(jī)承載的社會價(jià)值是完全不對等的，傳統(tǒng)手機(jī)主要提供的是移動(dòng)電話、短消息、資訊服務(wù)這些功能；而智能手機(jī)出現(xiàn)后，帶來了整個(gè)O2O商業(yè)模式對衣食住行各個(gè)方面的全面顛覆。所以說，未來可預(yù)見的智能汽車，對人的出行方式帶來一定的顛覆，甚至全面的顛覆，是完全有可能的。因此，智能汽車承載了傳統(tǒng)汽車工程技術(shù)人員不具備的智能出行體系維度的系統(tǒng)需求，傳統(tǒng)汽車人很難駕馭智能汽車的新架構(gòu)和新場景也就說得通了。
 
要說清楚傳統(tǒng)汽車工程體系和IT工程之間的知識壁壘，是個(gè)巨大的話題，這不是這篇推文所能涵蓋的。這里僅從汽車以太網(wǎng)和軟件工程角度出發(fā)，簡單羅列一些給傳統(tǒng)汽車工程師造成困惑的案例，歡迎行業(yè)專家一起參與討論。

1、對汽車以太網(wǎng)交換芯片認(rèn)知的困惑
 
汽車以太網(wǎng)和傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的各種技術(shù)對比，隨著這幾年來汽車以太網(wǎng)的普及，已經(jīng)是比較明確的概念了，這里不用多說。而汽車以太網(wǎng)是傳統(tǒng)以太網(wǎng)的跨界應(yīng)用，這種應(yīng)用過程里多了對一樣新實(shí)體的應(yīng)用，在傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)里沒有，就是以太網(wǎng)交換芯片。
 
以太網(wǎng)交換芯片在通信行業(yè)是一個(gè)高度壟斷的IC市場，目前量產(chǎn)汽車的以太網(wǎng)交換芯片雖然不是那個(gè)市場里最核心最高端的技術(shù)，但已經(jīng)是個(gè)非常復(fù)雜的科技含量非常高的定制化片上系統(tǒng)（SoC），包含很多獨(dú)特的芯片工藝（如TCAM，三態(tài)存儲器，Packet Buffer流量緩沖區(qū)存儲器，等等）。
 
這里不展開描述交換芯片架構(gòu)和制成工藝的技術(shù)細(xì)節(jié)，引用一張IEEE核心技術(shù)專家在技術(shù)論壇上的圖，這是這位專家對他認(rèn)為的Ethernet DNA的描述?；仡櫼蕴W(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，歸根結(jié)底落實(shí)在芯片技術(shù)上，所以Ethernet DNA我認(rèn)為即代表了Ethernet IC的DNA，即以太網(wǎng)芯片的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化；以太網(wǎng)芯片在通信行業(yè)的發(fā)展過程中，到底強(qiáng)化了什么，弱化了什么，又摒棄了什么，犧牲了什么？那些弱化、擯棄、犧牲的部分，單單靠一個(gè)汽車行業(yè)，是很難形成強(qiáng)大的市場價(jià)值需求去推動(dòng)和補(bǔ)足的。


引用自IEEE SA Ethernet & IP @ Automotive Technology Day 

汽車工程師對汽車以太網(wǎng)交換芯片認(rèn)知的困惑，我認(rèn)為主要體現(xiàn)在對芯片產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的不熟悉，對一些高度壟斷的關(guān)鍵技術(shù)沒有充分的了解。參考上述Ethernet DNA，以太網(wǎng)交換芯片針對汽車行業(yè)的定制性過程與CAN網(wǎng)絡(luò)芯片相比，可以說是從負(fù)數(shù)開始的，是一個(gè)改造DNA的過程，需要經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)漫長的行業(yè)博弈。而對這個(gè)“負(fù)數(shù)”評估，會困惑汽車工程師很長時(shí)間，因?yàn)橐坏?yīng)用了交換芯片，就已經(jīng)默認(rèn)移植了大量應(yīng)用在別的行業(yè)的“DNA”到車上，而這些DNA是和汽車工程的需求不匹配的，對這些DNA背后的芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的認(rèn)知，對傳統(tǒng)汽車工程師來說也是相當(dāng)痛苦的過程。

2、對大帶寬多事件觸發(fā)的分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知困惑
 
計(jì)算機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和評估指標(biāo)，與傳統(tǒng)汽車CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)是有很大區(qū)別的。最顯著的不同點(diǎn)在于，由于網(wǎng)絡(luò)總帶寬很低，負(fù)載很小，傳統(tǒng)汽車CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)（概念等同于Classic Platform）規(guī)劃的ECU單節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，幾乎不可能對ECU節(jié)點(diǎn)的芯片本身產(chǎn)生太多系統(tǒng)開銷和負(fù)擔(dān)。而且因?yàn)镋CU內(nèi)的軟件是一次性規(guī)劃好的，不存在業(yè)務(wù)的迭代和升級，一旦發(fā)現(xiàn)ECU節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)資源的瓶頸，就可以在下一代擴(kuò)充ECU內(nèi)的MCU資源。
 
但是計(jì)算機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)（概念等同于Adaptive Platform），軟件的迭代和業(yè)務(wù)的開放性，導(dǎo)致單節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)包發(fā)送，在沒有對網(wǎng)絡(luò)造成過載之前，可能首先因?yàn)檐浖募虞d，先對自身系統(tǒng)造成了設(shè)計(jì)規(guī)劃之外的嚴(yán)重負(fù)載。也就是說，實(shí)際整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用，很可能不是由網(wǎng)絡(luò)傳輸芯片和網(wǎng)絡(luò)交換芯片決定的，是由軟件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及單設(shè)備節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)資源調(diào)度合理性決定的。通俗來說就是，不是網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠?qū)е聰?shù)據(jù)包丟失，而是數(shù)據(jù)包發(fā)不出去被節(jié)點(diǎn)設(shè)備的Buffer丟了；不是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)延遲了，而是節(jié)點(diǎn)的CPU任務(wù)調(diào)度的擁塞導(dǎo)致數(shù)據(jù)包壓根還沒被處理；還有可能，不是CPU慢，而是掛載在CPU總線上某外設(shè)的I/O吞吐率在拖整個(gè)系統(tǒng)的后腿。
 
對于傳統(tǒng)汽車工程師，由于知識背景的關(guān)系，缺乏對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的認(rèn)知，所以在定義和評估汽車以太網(wǎng)性能和設(shè)計(jì)指標(biāo)的時(shí)候，往往很難界定導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求到底是在網(wǎng)絡(luò)層還是在業(yè)務(wù)層。因?yàn)樵贗T行業(yè)，設(shè)備是可插拔、可替換、可擴(kuò)展的，沒有汽車工程里面這種在設(shè)計(jì)之初就要嚴(yán)格論證考慮全生命周期的情況。
 
這里還是借用兩張同行的概念圖來說明情況，第一張圖來自Continental，我認(rèn)為表達(dá)了以太網(wǎng)ECU里面的網(wǎng)絡(luò)層和業(yè)務(wù)層是一個(gè)系統(tǒng)整體，不能區(qū)分來看；另一張圖來自RTI，講得非常明確，分布式計(jì)算系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲最多來自于多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包收發(fā)和業(yè)務(wù)處理過程中的Memory Copy，規(guī)劃和管理整個(gè)分布式系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理過程中的Memory Copy的次數(shù)，是解決網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)瓶頸的首要問題。


引用自Continental 2017， Dr.-Ing Heige Zinner

引用自RTI 2019， A Game-Changing Leap in Autonomous Vehicle Software Architecture，Bob Leigh

3、對多核計(jì)算平臺的操作系統(tǒng)認(rèn)知的困惑
 
我們首先還是引用計(jì)算機(jī)行業(yè)對操作系統(tǒng)的定義：
An operating system (OS) is software that, after being loaded into the computer by an initial boot program, manages a computer’s resources, controlling the flow of information into and from a main processor. OSs perform complex tasks, such as memory management, control of displays and other input/output peripheral devices, networking and file management, and other resource allocation functions between software and system components. The OS provides the foundation on which applications, middleware and other infrastructure components function. An OS usually provides user interfaces, such as command-line shell and GUI, for interaction between user and computer.
——source https://www.gartner.com/
 
我們再換一套通俗的表達(dá)方式來理解操作系統(tǒng)：
計(jì)算機(jī)是由若干硬件組成：顯示器、CPU、內(nèi)存、主板（提供總線）、鍵盤、鼠標(biāo)、硬盤等。計(jì)算機(jī)的發(fā)明是幫助人類完成一些計(jì)算與邏輯任務(wù)。但是人們不能直接的使用計(jì)算機(jī)硬件，需要在計(jì)算機(jī)硬件上包上一層軟件，我們使用這些軟件來完成一些特定的任務(wù)，比如進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算、文字排版、聊天、郵件等。
 
操作系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)硬件與應(yīng)用軟件之間的一層基礎(chǔ)軟件或中間件（或者說是接口），有兩個(gè)作用：1、方便我們使用計(jì)算機(jī)硬件；2、更高效地使用計(jì)算機(jī)硬件。
 
操作系統(tǒng)的硬件管理包括：CPU管理、內(nèi)存管理、終端管理、磁盤管理、文件管理；網(wǎng)絡(luò)管理、面向服務(wù)的接口管理、共享存儲區(qū)管理、多核管理，等等，這些屬于高級操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。


部署在端設(shè)備的操作系統(tǒng)，可以簡單抽象為上圖的形式，但是也只是概念圖而已，并不嚴(yán)謹(jǐn)。如果是云操作系統(tǒng)，或者AI操作系統(tǒng)，就完全是另一種定義方式了，這里就不展開了。
 
對于傳統(tǒng)汽車行業(yè)工程師來說，同樣是因?yàn)橹R背景的關(guān)系，對于車內(nèi)傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)（OSEK OS）和計(jì)算機(jī)行業(yè)的操作系統(tǒng)以及對應(yīng)的軟件生態(tài)的理解和定義都是有嚴(yán)重偏差的。
 
操作系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界里有一個(gè)概念的外延，即操作系統(tǒng)軟件生態(tài)，是一系列支持微機(jī)芯片和嵌入式硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件組件的一種集合形式，而組件的具體定義和實(shí)際形態(tài)是軟件生態(tài)演化而來的。不同的行業(yè)嵌入式場景需求會演化出不同的軟件生態(tài)，參與定義操作系統(tǒng)共性需求的利益團(tuán)體包括芯片公司、硬件生產(chǎn)商、通信科技公司、軟件服務(wù)公司、廣大程序員等。
 
操作系統(tǒng)軟件生態(tài)的最基本的三個(gè)作用：
  • 支持芯片和硬件資源的抽象的高效的使用；
  • 支持程序員和用戶的各種共性需求；
  • 通過互聯(lián)網(wǎng)開源工作項(xiàng)目的方式形成架構(gòu)和接口實(shí)現(xiàn)形式的廣泛統(tǒng)一（非開源OS產(chǎn)品也可以有開發(fā)者社區(qū)）。
 
如上所述操作系統(tǒng)的一般需求共性，不體現(xiàn)在具體的某個(gè)汽車域控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和項(xiàng)目交付上；不體現(xiàn)在軟件的解耦；也不體現(xiàn)在平臺的兼容性；更不體現(xiàn)在對汽車系統(tǒng)的軟件優(yōu)化；這些都是汽車行業(yè)去額外賦予的“細(xì)分共性需求”，而不是可以廉價(jià)獲取的“已經(jīng)落實(shí)的共性需求”。
 
4、對車云一體的邊緣計(jì)算形態(tài)認(rèn)知的困惑
 
智能汽車這一代新架構(gòu)是車云一體的架構(gòu)形式，簡單說，座艙系統(tǒng)在新架構(gòu)即不是大手機(jī)，T-BOX在新架構(gòu)里也已經(jīng)不是簡單的通信轉(zhuǎn)發(fā)模塊；整個(gè)系統(tǒng)是云端系統(tǒng)，加上邊緣計(jì)算單元，加上車內(nèi)子系統(tǒng)合而為一的多級計(jì)算的體系。這與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)又有所不同，可以簡單用下圖表示：


汽車工程師對IoT世界的邊緣計(jì)算概念的認(rèn)知模糊，造成了對于多級計(jì)算理解的誤差和架構(gòu)定義的困難。我們可以把負(fù)責(zé)車內(nèi)邊緣計(jì)算的單元，簡單定義為“數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)”，但是部署到這類具體的嵌入式硬件系統(tǒng)上，并不是那么容易的事情，從底層協(xié)議和上層應(yīng)用接口，到再上層邏輯接口，由于涉及不同的業(yè)務(wù)邏輯、軟件封裝以及傳輸協(xié)議，層次并不是那么清晰，互相的邊界和依賴關(guān)系也很模糊。更有效的方式，是通過一個(gè)車云邊緣計(jì)算的參考平臺項(xiàng)目來邊實(shí)踐邊理解。
 
5、對開源軟件生態(tài)下的軟件系統(tǒng)模塊化認(rèn)知的困惑
 
這個(gè)章節(jié)里的內(nèi)容在之前操作系統(tǒng)章節(jié)稍有涉及，由于篇幅的原因就不展開了，汽車工程是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MBSE工程（Model based System Engineering），只有把MBSE做扎實(shí)了，才能給OEM和相關(guān)研發(fā)測試團(tuán)隊(duì)帶來實(shí)際的利益，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的紅利才會真正落到實(shí)處。面向新架構(gòu)的汽車軟件MBSE怎么做，部分基于開源生態(tài)的MBSE又怎么做？這個(gè)話題就不是這篇小小推文所能涵蓋的了，我認(rèn)為是個(gè)全行業(yè)需要面對的問題。
 
一個(gè)小建議：
說了這些，都是在談問題，具體有什么改進(jìn)的建議呢？可以考慮通過系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)一些計(jì)算機(jī)和IT基礎(chǔ)知識，來構(gòu)建對跨界技術(shù)的認(rèn)知框架。汽車IT化，廣大傳統(tǒng)汽車工程師的思維也需要IT化，IT世界相對開放，但是也沒有開放到看幾篇軟文或者搜索幾篇沒頭沒尾的技術(shù)貼就可以熟練理解的程度。通過一些經(jīng)典教材來建立IT、計(jì)算機(jī)和分布式網(wǎng)絡(luò)通信的概念是有必要的。
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