面对日益复杂化的汽R电子甉|架构及网l系l,人工计算与P代的设计方式已很N用。同Ӟ验证设计的合理性在成本压力下愈发重要。今天我们对RTaW与BMW的合作应用案例(O.Creighton, N.Navet, P.Keller, J.Migge, 2020 IEEE-SAQ“Towards Computer-Aided, Iterative TSN-and Ethernet-based E/E Architecture Design”)q行解读Q从两个斚w分析如何q行E/E架构设计优化Q?
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电子甉|架构设计面哪些挑战
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如何使用RTaWq行E/E架构设计优化
1 BMW当前电子甉|架构设计面的挑?/b>
- 向可靠的整R范围SOA转变
随着电子甉|架构的发展,以信?功能为导向的传统设计模式已不再满需求,而整车范围SOA设计hl一性、可靠性,可以带来两个核心优势Q?
- 清晰的SOA层划分- 明确的服务提供方和消Ҏ定位
? Z信号到基于服务的转变
与传l设计模式相比,SOA开发过E需要考虑更多的系l要求,如g时、带宽、鉴权、冗余与安全、整车别的q行配置{。在N领域里,通过动态配|资源的高性能实时q算q_Q由软g定义的、硬仉度集成的ECUQ在大数据和AI法的帮助下担负更多的角色?
? BMW L3&L4可剪裁的自动N架构
- 模块化下的Yg扩展性和复用?/strong>
Z提高模块化下的Yg开发效率、降低成本、提高复用性。目前在BMW所有L2至L4/5U乘用R中,基础q_l一在AUTOSARQAutomotive Open System ArchitectureQ上q行搭徏QƈL2模块作ؓL3的备份,q种设计使ECU和摄像头的Ygh较高的复用性。且随着自动化水q的l箋升高Q还可通过部v额外的传感器和高端微处理器来满需求?
- 工作量大成本高的集成和测?/strong>
从完整系l测试到持箋集成试的{变,使得试对自动化的需求大q提升,解决q个问题的关键是在设计初期的虚拟q_上进行大量的验证和测试。目前的解决方向是针Ҏ套系l进行不同精度等U的仿真Qƈ在Y/g在环的测试用例中集成真实元gQ实现这一目标h较大的挑战性?
- 如何设计一个具备扩展性的E/E架构
架构在初期设计阶D就已确定,但随着研发q程的深入,软g功能q会陆箋的添加,在品售出后q有更新的需求。这U更新目前主要有两个场景Q纯软g的升U和软硬件同时升U(如ADAS模块Q。因此,如何设计一个扩展性好、可持箋增值的E/E架构成ؓ整R设计的难炏V?
2 ZRTaW-Pegase的E/E架构设计优化
目前pȝ的设计优化主要可按照链\带宽、TSN协议的选择{方向展开Q如何保证在设计初期选择一个“面向未来的”E/E架构Q下文将从一个示例来阐述Q在一个基于TSN的Zonal架构中,如何评估|络带宽使用情况以及未来软g更新可增加的服务数量Q设计出一个的扩展性好的E/E架构?
CZQ如下图所C,三个区域控制器(图中黄色区域Q与HPCQ图中绿色区域)使用千兆以太|相q,HPC处理包括Rw、运动、数据分析、ADAS{内宏V该以太|拓扑包?7个ECUQ如HMI、动力系l、摄像头、AI后台计算{。根据统计,命o控制信息占汽车数据流L?0%Q音视频(含ADASQؓ10%Q各U服务信息则占到60%Q这个示例中Q服务类信息是媄响链路带宽的关键?
? CZ拓扑及数据统?
Z评估后期更新时增L务的极限Q在分析软gRTaW-Pegase中将评估内容拆解成五个方面:q蝲、网l性能、成?扩展性、性能优化及整体架构。接下来本文围l这五个斚wq行介绍?
? 评估程
- q蝲评估
以链?00%负蝲作ؓ限制Q当一条或多条链\上负载高?00%Ӟ即使用TSN也不能满x间限ӞQ得到的评估l果为:d90个新服务时过载ؓ10%Q之后过载量陡然上升Q这说明无论使用哪种TSN{略Q该架构都只适合d60-80个服务?
? q蝲评估
- |络整体性能
除了链\负蝲以外Q流量调度方法的选择也会对结果生媄响。未使用M整ŞҎ或者流量调度方法的命o&控制信息只能d25-30个新服务Q?5%保障U别Q,接着使用不同量调度Ҏq行分析Q“CBS[1]+最高优先讄为Express[2]”方案在同等保障U别下可d55个新服务Q这个结果和“最高使用CBS+TAS[3]”方案结果相伹{所以,在硬件允怸不考虑成本的情况下Q这两种配置可实现几乎相同的可扩展性?
[1] CBSQCredit-based ShapingQ:IEEE 802.1Q协议中规定的一U基于信用的整Ş机制Q在支持AVB功能的交换机出口处对数据依照信用D行流量整形,以达C证时间敏感的韌频流的传输目的?/span>
[2] ExpressQ抢占是TSN协议族中提供延迟保障机制的协议,通过对q行高低优先U的划分QExpress MAC和Preamble MACQ,来羃短高优先U的排队等待时间?/span>
[3] TASQTime Aware ShapingQ:IEEE 802.1Qbv协议规定的时间感知整形,通过开关门的机制来控制数据的发送,R内时间敏感数据提供超低g时及抖动保证?/span>
- 成本和扩展?/strong>
设计者在q求pȝ可扩展性的时候也需要进行成本控制。媄响成本的因素众多Qh根{时间、风险、重量等{)Q在RTaW中ؓ本案例添加自定义的函数来计算成本。从l果看,在不使用整Ş机制QCPQ的情况下可新增20个服务流Q此Ҏ的性h比在l定的h格基上更优;随着需求中的数量的上升,在给定当前h格参考的基础下,性h比更高的Ҏ由CP向“TAS+CBS”{U,当流的增量超q?0条时Q“CBS+Preemption”拥有较高的性h比?
? 成本和扩展性评?
- 整体架构扩展?/strong>
架构可扩展性分析必d时考虑|络通讯以及CPU负蝲。我们首先来假设每个服务所需的处理时间都与其数据成比例Q基于相同的CPU力来进行对比评估。在软g中分别模拟更好的TSNҎQ最高队列设ؓExpress+两个CBS队列Q有/无CPU需求的场景。在不考虑CPU要求的情况下Q结果往往会过于乐观,如图所C,在同时满通讯和CPU性能要求的情况下Q网l的实际可扩展性会差于不考虑CPU要求的情c?
? 整体架构扩展性评?
架构l合评估
以上介绍了基于已有的|络拓扑如何q行面向未来的汽车电子电气架构设计,特别是分析了|络的可扩展性以应对未来的需求。下面我们来ȝ一下,对于通过扩展已有核心|络拓扑来设计未来网l架构,需要考虑四大斚wQ?
- 核心拓扑的设? Ҏ扑的限制需? 电脑辅助设计Q基于RTaW-Pegase对不同大量场景进行测试评C? |络的安全性和可靠性(RTaW-Pegase同样支持Q?br />
3 l语
面对汽R电子甉|架构设计优化需求,pȝ复杂性、扩展性、时间和成本效率{是关键的驱动因素。可以预见,计算助网l分析Y件将大大推动面向未来的研发进E?
RTaW-Pegase是法国国家信息与自动化研I所QINRIAQ下属公司RTaW的品。该公司主要为汽车等领域的企业提供时间仿真和配置工具。RTaW-PegaseQV4.2.7Q全面支持CANQFDQ、R载以太网以及TSN协议的设计仿真及性能评估。该软g功能强大且用便PZeroConfig功能可根据用戯入一键式自动完成车蝲以太|TSN协议参数配置工作Q优化TSN|络拓扑以及调度机制。不断新增的功能也将在更q的范围内支持R载网l全|时间分析及优化?
l纬恒润持箋x车蝲以太|国际新势Qؓ客户提供各类优质先进的R载以太网相关工程咨询服务Q涉及R载以太网设计、AVB/TSN量应用、SOA架构、网l安全设计和试{多个领域。RTaW两年前由l纬恒润引入国内Q是该公司在中国的重要合作伙伴。恒润已为国内多家知名汽车企业提供了ZRTaW-Pegase产品的R载以太网TSN设计工程咨询服务Q更多资讯请讉Kl纬恒润官网或官微?
[1]O. Creighton, N. Navet, P. Keller, J. Migge, “Towards Computer-Aided, Iterative TSN-and Ethernet-based E/E Architecture Design,?IEEE Standards Association (IEEE-SA) Ethernet & IP @ Automotive Technology Day, 2020.
[2]J. Yoshida, “Unveiled: BMW’s Scalable AV Architecture,?EE|Times, 4 2020.