（计算机科学与技术专业论文）汽车电子软件设计中周期分配和总线访问配置算法研究.pdf

硕：l ：学位论文 摘要 近年来，随着嵌入式计算、通信技术等信息技术在汽车中的应用，汽车制造 技术产生了深刻的变革。现代汽车的性能提升已经发展到以采用先进的电子控制 技术进行综合控制的阶段，以嵌入式软件为主要载体的各种控制技术的应用将成 为未来汽车技术发展的重点之一。 软件是汽车电子控制系统的核心，因汽车电子软件的复杂性日益攀升，且汽 车本身在成本上非常敏感，所以实时、成本控制等问题变得日益严峻。任务的周 期和总线的访问配置是系统实时性、e c u 内c p u 利用率等的关键影响因素。通 过对任务周期和总线访问配置进行调整，可以在保障实时性的情况下，优化e c u 内的c p u 利用率。这能提升e c u 单元对新功能的容纳能力，缓解e c u 的增加， 从而对汽车系统的成本控制具有一定意义。 任务的周期分配和总线访问配置是基于平台的汽车电子软件设计中的关键部 分，所以本文从基于平台的汽车电子软件设计入手，提出一种基于几何规划算法 的周期分配和总线访问配置算法。本文的工作主要集中在以下三个方面： 1 ，首先介绍了传统汽车电子软件设计，并对其存在的不足进行了分析。在此 基础之上，对汽车电子软件设计面临的挑战和发展趋势进行概括。然后，对基于 平台的汽车电子软件设计进行了介绍，并就设计中的周期分配、总线访问配置及 相关的问题进行了综述。 2 ，经过上述分析我们发现：现有的面向嵌入式实时系统的周期分配和总线访 问配置方法主要以时问相关的属性作为优化目标，很少对与汽车成本控制相关的 c p u 利用率问题进行研究。本文提出了一种基于几何规划算法的周期分配和总线 访问配置算法，在满足实时性要求、总线时隙利用率、可调度性等限制条件的情 况下，对e c u 内c p u 利用率进行优化。 3 ，上述问题是一个典型的几何规划问题，所以本文在能解决几何规划问题的 g p p o s y 工具箱和m a t l a b 的仿真平台上对本文提出的算法进行了实验仿真。实验 结果表明该算法在满足实时性要求，优化c p u 利用率方面的有效性。 关键词：汽车电子软件；c p u 利用率；几何规划算法： 汽乍i 乜了软件设计中用期分配和总线访问配置算法研究 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，a s t h e a p p l i c a t i o n o fe m b e d d e d c o m p u t i n gt e c h n o l o g y ， c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n do t h e ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e si na u t o m o b i l e s ，i th a s s e e ng r e a te v o l u t i o n si na u t o m o t i v ef a b r i c a t o n t h ei n c r e a s eo fa u t o m o t i v es y s t e m s c a p a b i l i t yh a se n t e r e dan e w e r at oa p p l yt h ea d v a n c e de l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g y ， a n da l lk i n d so fc o n t r o lt e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o n sb a s e do ne m b e d d e ds o f t w a r ew i l lb e o n eo ft h ed e v e l o p m e n tp r i o r i t i e so fa u t o m o t i v et e c h n o l o g y s o f t w a r ei st h ec o r eo fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sc o n t r o ls y s t e m s ，f o rt h ec o m p l e x i t y o fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c ss o f t w a r ei so nt h er i s ea n dt h ea u t o m o b i l e si ss e n s i t i v et o t h ec o s t ，r e a l t i m ea n dc o s tc o n t r o lp r o b l e m sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e v e r ei ni t t a s k sp e r i o da n dt h eb u sa c c e s sc o n f i g u r a t i o na r ed e c i s i v ef a c t o r so ft h es y s t e m s r e a l t i m ep r o p e r t y ，c p uu t i l i z a t i o n ，s ot h r o u g ht h ea d ju s t m e n to fi t ，w ec a no p t i m i z e t h ec p uu t i l i z a t i o nu n d e rt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gr e a l - t i m er e q u i r e m e n t s i tc a n e n h a n c et h ee c u sa b i l i t yt oa c c o m m o d a t et h en e wa p p l i c a t i o n sa n ds l o wd o w nt h e e c u si n c r e a s i n g ，s oi ti sm e a n i n g f u lt ot h ec o s tc o n t r o lo fa u t o m o b i l e s t a s k s p e r i o da s s i g n m e n t a n db u sa c c e s sc o n f i g u r a t i o na r ek e yp a r t so f p l a t f o r m b a s e da u t o m o t i v ee l e c t r o n i c ss o f t w a r ed e s i g nm e t h o d ，s ow es t a r t e df r o mi t a n dp r o p s e dt h ep e r i o da s s i g n m e n ta n db u sa c c e s sc o n f i g u r a t i o na l g o r i t h m t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w e s ： 1 ，w ef ir s t l yi n t r o d u c et r a d i t i o n a la u t o m o t i v ee l e c t r o n i c ss o f t w a r ed e s i g n ，a n dg i v e a na n a l y s i sa b o u ti t sd e f i c i t s b a s e du p o ni tw es u m m a r i z et h ek e yc h a l l e n g e sa n d t r e n d so fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c ss o f t w a r ed e s i g n a n dt h e nw ed e s c r i b et h e p l a t f o r m b a s e da u t o m o t i v ee l e c t r o n i c ss o f t w a r ed e s i g na n di t sd e s i g nf l o w , a n dg i v ea s u r v e ya b o u tt h ep e r i o da s s i g n m e n t ，b u s a c c e s sc o n f i g u r a t i o na n dt h er e l e v a n t p r o b l e m so ft h a td e s i g nf l o w 2 ，b a s e do nt h ea n a l y s i sm e n t i o n e db e f o r e ，w ef o u n dt h a tt h ec u r r e n tr e s e a r c h a b o u t p e r i o da s s i g n m e n t a n db u sa c c e s sc o n f i g u r a t i o ni ne m b e d d e dr e a l t i m e s y s t e m sa r em o s t l ya b o u th o wt oo p t i m i z et h et i m e r e l a t e dp r o p e r t i e s ，a n dt h e r ei s l i t t l ew o r kr e l a t e dw i t hc p uu t i l i z a t i o n o p t i m i z a t i o n s ob a s e do ng e o m e t r i c p r o g r a m m i n g ，w ep r o p o s eap e r i o da s s i g n m e n ta n d b u sa c c e s sc o n f i g u r a t i o n a l g o r i t h mw h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m e ，b u ss l o tu t i l i z a t i o na n d s c h e d u l a b i l i t yc o n s t r a i n t s a n dr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no fc p uu t i l i z a t i o n 3 ，t h ep r o b l e mm e n t i o n e db e f o r ei s at y p i c a lg pp r o b l e m s ow ec o m b i n e 硕 ：学位论文 g p p o s yt o o l b o x ，w h i c hc a bs o l v et h eg pp r o b l e m ，w i t hm a t l a bt os i m u l a t eo u r a l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w nt h i sa l g o r i t h mi se f f e c t i v ei no p t i m i z i n gt h e c p uu t i l i z a t i o nw h i l em e e t i n gt h er e a l t i m ep r o p e r t yc o n s t r a i n t s k e yw o r d s ：a u t o m o t i v e e l e c t r o n i c s s o f t w a r e ；c p uu t i l i z a t i o n ；g e o m e t r i c p r o g r a m m i n ga l g o r i t h m ； l v 汽下i 乜了软件设计中用期分配和总线访6 日配置算法研究 插图索引 图2 1 传统的汽车电子软件设计【1 1 4 图2 2a u t o s a r 的体系架构一6 图2 3o s e k 操作系统的处理层次7 图2 4 基于平台的软件设计方法【2 们1 l 图2 5 基于平台的汽车电子软件设计1 2 图2 6 任务和消息到e c u 节点的映射过程1 3 图3 1t t p 总线技术2 l 图3 2t t p 总线与f l e x r a y ，c a n 等总线的比较2 2 图3 3 一种典型的执行路径2 2 图3 4 系统的物理体系结构2 3 图3 5 周期性触发模型一2 3 图3 6 一种典型的基于t t p 总线的消息传输场景2 5 图4 1 任务集( 1 ) 3 3 图4 2 任务集( 2 ) 3 3 图4 3 满足相对错误限制的任务和消息的比例3 6 、图4 4c p u 利用率3 7 图4 5 执行路径的端到端时延3 8 v 硕 ：学亿论文 附表索引 表3 1g p 方法的迭代执行过程3 0 表4 1 任务集( 2 ) 的详细信息3 3 v l l l 硕f j 学位论文 第1 章绪论 随着经济社会的发展，汽车在人们的同常生活中起到了非常重要的作用，人 们对汽车的要求也越来越高。嵌入式计算、通信技术、人工智能等信息技术在汽 车中的广泛应用，为汽车制造技术带来了深刻的变革。汽车中以分稚式嵌入式实 时系统为主要形态的汽车电子控制系统在整车价值中所占的比例越来越高，汽车 电子信息技术已经成为衡量一个国家汽车工业水平的重要标志。软件是汽车电子 控制系统的核心，汽车中各种控制技术的应用能否实现在一定程度上都取决于汽 车电子控制软件。进入二十一世纪，随着汽车电子软件的进一步发展，未来的汽 车将变得更加舒适、便捷和智能，我们j 下进入一个“汽车i t 时代”。 1 1 课题来源 本课题的研究得到了核高基重大专项( 软件类，批准号：2 0 0 9 z x 0 10 3 8 0 0 1 ) ： 实时嵌入式操作系统及开发环境和国家自然科学基会：复杂嵌入式系统中软件构 造技术研究( 基金号：6 0 8 7 3 0 7 4 ) 项目的支持。 1 2 选题背景与研究意义 汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，它极大地改善了汽车 的综合性能，使汽车在安全、节能、环保和舒适性等方面取得了很大的进步。汽 车电子化的程度被看做是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改 进汽车性能最重要的技术手段之一。汽车制造商认为增加汽车电子产品的数量、 促进汽车信息化是夺取未来汽车市场的有效手段之。据相关数据统计，1 9 7 4 年 汽车内部电子化产品在整车中所占的比例仅为2 ，目阿该比例普遍已经达到 2 3 3 0 ，在一些高档豪华轿车中更是达到5 0 6 0 。 汽车电子系统是汽车车身控制、底盘控制和动力控制的关键核心，提供了舒 适管理、安全行驶、节能环保和信息娱乐等功能。汽车电子系统已成为汽车整车 系统中的重要、高附加值组成部分，它极大地提高了现代汽车产品的数字化、智 能化水平和产品的性价比。汽车电子系统主要包括动力控制系统、车身控制系统、 行驶控制系统、安全控制系统和信息系统等。汽车电子系统中电子产品可以归纳 为两类1 1 l ：一类是汽车电子控制装置，汽车电子控制装置要和车上机械系统进行 配合使用，即所谓“机电结合”的汽车电子装置。它的性能好坏直接决定了汽车本 身的性能和安全性，所以对实时性、安全性和可靠性具有极高的要求。汽车电子 控制装置包括发动机、底盘和车身电子控制，例如电子燃油喷射系统、制动防抱 汽乍电了软件设计中周期分配和总线访问配置算法研究 死控制、电子动力转向等。另一类是车载汽车电子装置。车载汽车电子装置是在 汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系。它包 括汽车信息系统、导航系统、汽车音响等。 随着人们对汽车的安全、节能环保和功能多样性方面的需求增加，汽车正朝 着智能化、网络化的方向发展，嵌入式技术、通信技术、人工智能技术等信息技 术在汽车的制造中将产生越来越重要的作用。软件是汽车电子控制系统的核心， 汽车电子控制软件是各种控制技术的主要载体。据相关统计显示，在汽车技术创 新中，8 0 以上与电子相关，而这其中的9 0 又与软件相关1 2 1 。汽车的智能化、网 络化，以及人们对功能需求的同益增多，使得汽车电子软件的复杂性日益攀升。 近年来各国都颁布了一系列的法规对汽车的排放进行严格限制，从而需要利用更 加复杂的控制软件来对喷油系统、变速箱等进行更加精确的控制，这进一步加剧 了汽车电子控制软件的复杂性。如奔驰s 系列的车型中包括超过5 0 个的e c u 单元， 6 0 万行的代码和3 种总线系统。 随着汽车电子软件复杂程度的提高，一方面，给软件本身的实时、可靠等造 成巨大的压力，传统的最差执行时间分析和测试等方法在软件可靠性保障方面能 发挥的作用将越来越有限；另一方面，复杂性造成车内e c u 单元的数量骤增，一 些高档轿车中的e c u 单元已经超过l0 0 个，这给汽车系统的成本控制带来了严峻的 挑战。所以适时开展汽车电子系统的相关技术，尤其是汽车电子控制软件设计的 相关技术研究，解决软件相关的实时性、可靠性和资源利用率方面的问题，对提 高我国在汽车电子产业中的地位，解决汽车电子系统中的核心知识产权问题，推 进我国汽车工业及相关电控行业的发展具有重要意义。 本文从基于平台的汽车电子软件设计出发，对设计中的周期分配、总线访问 配置、任务分配和优先级分配等关键问题进行了分析和考察。在不改变任务和优 先级分配，满足系统实时性、总线时隙利用率等限制条件的情况下，本文提出了 一种基于几何规划算法的任务周期分配和总线访问配置算法。该算法可以实现 e c u 单元内c p u 利用率的优化，这将提升e c u 单元对新功能引入任务和消息的容 纳能力，减缓汽车电子控制软件复杂性造成车内e c u 数量的增加，从而能在一定 程度上实现汽车系统的成本控制。 1 3 研究内容 本文主要包括以下几个方面的研究内容： 1 介绍了传统汽车电子软件设计方法，并就其存在的不足进行了分析。同时， 对汽车电子软件设计面对的挑战和发展趋势进行了总结。然后，对基于平台的汽 车电子软件设计及其关键组成部分进行了概述，并对设计中的任务周期分配、总 线访问配置等关键问题的相关研究进展进行了综述。 2 硕l ：学位论文 2 在上述分析的基础之上，本文提出了一种基于几何规划算法的周期分配和 总线访问配置算法。通过该算法可以实现e c u 单元内c p u 利用率的优化，以增 加c p u 空闲。这在提高系统对新功能的容纳能力，缓解车内e c u 单元数量的增 加，从而控制系统成本方面具有一定作用。 3 在g p p o s yi 具箱和m a t l a b 组成的仿真平台上，对本文提出的算法进行 了仿真实验，并与其它两个相关的典型算法进行了分析和比较。实验结果表明， 与另两个算法相比该算法在满足系统时限要求、优化c p u 利用率方面具有更好的 优势。 1 4 本文章节安排 本文共分为五章，各章的内容安排如下： 第一章概述了汽车电子的相关技术、研究意义、选题背景以及本文的主要工 作。 第二章首先对传统的汽车电子软件设计方法进行了介绍，并就其存在的不足 进行了分析。同时，对汽车电子软件设计面临的挑战和发展趋势进行了总结。然 后，对基于平台的汽车电子软件设计及其关键组成部分进行了概述，并就设计中 的周期分配和总线访问配置等关键问题的研究进展进行了综述。 第三章提出了一种基于几何规划算法的周期分配和总线访问配置算法。本章 首先对t t p 总线技术、系统的时问和资源利用率等进行了分析，并提出了本文的 系统模型和假设条件。在此基础之上，对基于几何规划算法的周期分配和总线访 问配置算法的详细执行过程进行了描述。在几何规划算法的框架内，通过任务周 期的分配和总线访问的配置，在满足实时性要求的情况下来实现e c u 单元内c p u 利用率的优化。 第四章对本文提出的算法进行了实验仿真，并就c p u 利用率和路径的端到端 时延方面，与另外两个相关典型算法进行了比较。实验结果表明了该算法在满足 实时性要求和优化c p u 利用率方面的有效性。 第五章对本文做出了总结，并对下一步的工作进行了展望。 3 汽车电子软件设计中周期分配和总线访问配置算法研究 第2 章研究基础及现状 2 1 汽车电子软件设计相关问题的综述 2 1 1汽车电子软件设计的发展 传统的汽车电子软件设计是基于软件工程的基本思路，采用“v ”模型的设计 过程，该过程主要包括基于需求分析的控制功能设计、快速原型实现、目标代码 生成、硬件回路仿真和标定等五个阶段。如图2 1 所示，这五个阶段形成一个“v ” 模型。 叠 产品代码生成 和硬件制作 图2 1 传统的汽车电子软件设计 控制功能设计阶段主要完成控制方案设计、功能模块设计和控制算法设计等 任务。控制方案主要需要解决的问题是系统整体方案的设计和建模，该步骤是整 个设计过程的核心，不同的控制方案将决定不同的控制性能。该阶段使用的工具 主要是m a t l a b 提供的s i m u l i n k 、s t a t e f l o w 等。原型实现是在最终产品投产前，对 设计原型在时间、离散化和性能等方面的满足情况进行仿真分析，以验证设计方 案的可行性。通过原型系统与实际物理设备的连通，可以对不同的传感器、e c u 单元等的性能进行比对，以确定最终的硬件选择。该阶段使用的工具主要是 d s p a c e 。目标代码生成是软件设计的核心部分，该阶段使用的工具主要是 c o d e w a r r i o r 。使用c o d e w a r r i o r 提供的编译器、调试器等工具，可以完成从标准 c 代码到目标硬件平台上的产品代码的转换。在汽车电子软件的设计过程中，该 部分的工作需要借用一些自动化生成工具，如t a r g e t l i n k 。t a r g e t l i n k 工具生成的 代码具备高可靠性、易读性等特点，并且可适用于多种类型的微处理器和编译器。 硬件回路仿真阶段主要是在实时仿真系统中对真实的控制器进行测试，包括对软 件进行的功能测试和对硬件进行的性能测试等。该阶段基本上可以排除系统中的 大部分故障，剩下的小部分故障需要借助标定阶段才能排除。标定阶段需要在特 定的恶劣环境下对真实汽车的运行情况进行测试，以调整相关性能参数来满足性 4 硕 ：学位论文 能要求。 通过对传统汽车电子软件设计进行分析，我们发现它主要还是遵循了从需求 分析到功能设计、代码实现，最后再测试的软件设计过程。它主要存在如下几个 方面的缺陷： 测试方法不能对汽车电子软件的质量做出完全保证。传统的汽车电子软 件设计过程中在最后的测试阶段才对产品的质量进行严格把关。一方面， 在软件设计的后期发现问题再进行修改，需要付出的代价高昂，这种代 价往往呈指数增长；另一方面，随着汽车功能的多样性增长，以及汽车 的网络化和智能化发展，如车内的网络类型包括有c a n l3 1 、f l e x r a y l 4 1 、 m o s t l 5 1 、t t p1 6 1 和l i n l 7 1 等，造成汽车电子软件复杂度的急剧增长。测试 不能完全覆盖软件的所有执行路径，从而不能完全保证最终软件产品的 可靠性。这对于以安全为关键的汽车电子系统来说，后果是非常严重的。 没有一个统一的需求规约方法。传统的汽车电子软件设计过程中，各汽 车供应商通常采用自己选择的需求规约方法，而没有遵循一个统一的规 范，这对后期子系统的集成将产生不利影响。在软件需求规约中较常用 的一种方法是u m l ，但是u m l 不能对汽车电子软件的实时性、可靠性 和安全性等进行描述。t i m m o 项目采用的m a r t e 规约方法i s l ，以及 a t e s s t 项目提出的e a s t a d l 2 需求规约方法【9 j 等正在尝试对这一现状 进行改变。 不能快速响应市场需求。随着人们对汽车功能多样性的需求增加，如何 对市场的需求做出快速响应是汽车电子软件设计过程中必须要解决的重 要问题。传统的汽车电子软件设计方法严格遵循从需求、设计、实现再 到测试的过程，产品的设计周期很长，不能对市场需求做出快速响应。 所以，新功能的增加往往导致系统成本的剧烈增长，极大地削弱了产品 的市场竞争力。 从上述分析可知，传统的汽车电子软件设计越束越不能满足现代汽车追求智 能化、网络化、节能环保和安全等方面的要求，汽车电子控制软件急需在设计上 取得突破。a u t o s a r 汽车电子体系规范1 0 1 和o s e k v d x l l l l 汽车电子操作系统设 计规范就是汽车工业界在汽车电子软件设计上寻求突破所取得的最新进展，它们 在一定程度上代表着未来汽车电子技术的发展方面。 l ，a u t o s a r a u t o s a r i o i 是汽车丌放系统体系结构( a u t o m o t i v eo p e ns y s t e m a r c h i t e c t u re ) 的简称，是由b m w 、b o s c h 、c o n t i n e n t a l 、d a i m l e r c h r y s l e r 、f o r d 、 t o y o t a 、v o l k s w a g e n 等国外主要汽车制造商以及电子系统、半导体和软件供应商 5 汽车电子软件设计中周期分配和总线访问配置算法研究 在2 0 0 3 年联合制定的标准规范。其主要动机是为了应对日益复杂的汽车电子系 统，提高系统的灵活性、增加系统的更新和升级性能、改善系统的可靠性和稳定 性、在设计过程中能更早地发现问题。a u t o s a r 的目标主要包括以下几个方面： 通过基本系统功能的实现为汽车供应商提供标准的软件模块； 实现对不同的汽车和平台变量的兼容： 通过网络实现软件功能的共享来增强汽车电子系统中软件的可移植性； 实现不同汽车供应商提供的软件模块的集成； 增强汽车生命周期中的软件升级和更新的能力； 充分利用现有的商业硬件的处理能力 解决汽车功能的可用性和安全性需求： 保持汽车电子系统具备一定的冗余性； 图2 2a u t o s a r 的体系架构 从图2 2 可知，a u t o s a r 的主要优点有：采用层次化的体系结构，通过不 同层次的抽象，实现了应用软件开发与底层e c u 硬件问的分离；采用模块化的软 件设计方法，增强了软件的灵活性、可移植性和可重用性，维持了系统的成本： 采用自动配置的设计方法学，增强了系统设计的灵活性。 2 ，o s e k v d x o s e k v d x j 是由德国和法国等主要汽车制造商和供应商、研究机构以及软 件丌发商发起的。o s e k 是指德国汽车电子类丌放系统和对应接口标准( o p e n s y s t e m sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c e sf o ra u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ) ；v d x 法国发 起的是汽车分布式执行标准( v e h i c l ed i s t r i b u t e de x e c u t i v e ) ，后来也加入了o s e k 团体。两者的名字都反映出o s e k v d x 的目的是为汽车电子制定标准化接口。 o s e k v d x 及相关标准的汽车电子嵌入式软件平台解决方案已经得到了广泛接 6 雷圆圈圜象蟹 硕1 j 学位论文 受，o s c a n 、v o l c a n o 、d o r a d oo s e k 、s i m u q u e s t 等软件产品在操作系统接口方 面都实现了与o s e k v d x 标准的兼容。国内浙江大学设计实现的s m a r t o s e k 【i 2 j 也在一定程度上实现了与o s e k v d x 标准的兼容。 o s e k 操作系统中定义了三个不同的处理层次，分别为中断层、逻辑调度层 和任务层来分别支持不同层次的任务处理( 见图2 3 ) 。o s e k 操作系统的主要特 点是：支持任务、资源和服务等的静态配置和扩展；支持应用任务的移植性；支 持可预测性能参数的实现；支持各种调度策略等。基于上述特点，o s e k 操作系 统支持不同软件生产商生产的软件模块间的集成，并能很好地满足汽车电子软件 在可靠性、实时性和低成本等方面的要求。 r 压 o s e ko p e r a t i n gs y s t e n a 图2 3o s e k 操作系统的处理层次 r t 爪, f i m e c o n t e x t 2 1 2汽车电子软件设计面临的挑战和发展趋势 近年来，软件在我们的生活中起到了越来越重要的作用，大部分技术领域所 发生的革命和生产的新产品都与软件相关。我们身边的各种设备中都可以看到软 件的身影，尤其在汽车电子系统中，软件的作用被发挥到了极致。汽车电子控制 软件在整车价值中所占的比例也越来越高。各种极具竞争力的新功能也都在一定 程度上借助于软件才得以实现，如线控系统、电子稳定系统等。d a i m l e rc h r y s l e r 公司的专家估计，未来汽车革命中8 0 以上将由电子技术驱动，而这其中有9 0 是与软件相关1 2 j 。没有软件，汽车厂商所憧憬的无事故驾驶或无人驾驶等未来汽 车的使用场景都将很难实现，毋容置疑软件将在汽车电子系统中起到越来越重要 的作用。 随着汽车朝着智能化和网络化的方向发展，汽车电子控制软件的复杂性急剧 增加，汽车电子控制软件的设计将面临如下几个方面的挑战： 软件的复杂性控制方面。随着汽车朝着智能化、网络化等方向发展，汽 7 汽车l b 了软件没计中周期分配和总线访问配置算法研究 车电子控制系统中软件的成分不断增加，汽车电子控制软件日益攀升。 软件复杂性对系统设计的各个阶段都将产生重要影响，特别是需求规约、 系统设计、体系结构设计、子系统集成和测试等阶段。而且，如果该设 计过程需要多个供应商共同参与，软件的复杂性控制问题将变得更为严 峻。 软件的需求规约方面。可靠软件设计的一个不可或缺的前提是拥有成熟 的需求规约方法，但是在实际过程中，该条件很难达到。一方面，并不 是所有的需求在一开始就是非常清晰和稳定的；另一方面，由于技术或 者客户方面的原因，需求在设计的过程中都会发生变化。业界的经验显 示，在汽车电子软件的设计过程中，超过4 0 的错误是由于不成熟的需 求规约而导致的。 软件组件集成的一致性方面。汽车电子系统设计是汽车厂商和供应商之 间通过协作来完成，大多数软件组件是由不同供应商提供，某些特殊功 能部分的软件实现才由汽车厂商完成。在这种情况下，软件组件集成过 程中的一致性就将对软件的质量和可靠性方面产生非常大的影响。 软件的开发效率方面。由于市场竞争对汽车电子软件的开发周期和成本 造成的巨大压力，汽车厂商对汽车电子软件开发的效率提出了更高的要 求。基于模型和软件组件等的重用设计将成为提高软件开发效率的一条 重要途径。现如今软件重用的比例很低，主要的原因在于缺乏足够开放 和灵活的软件体系结构，以方便重用和集成现有代码到新系统之中。所 以，新功能需要从头开始设计，这大大降低了软件开发的效率。 缺乏完整的设计方法和工具链支持。良好的设计方法和工具链支持，可 以大大提高软件的丌发效率和质量。汽车电子软件设计的各个阶段都存 在一些独立的方法和工具支持，但是缺乏完整的设计方法和工具链对整 个软件开发周期进行有效支持。所以，开发过程的各个阶段问存在的隔 阂需要进行手动修复。手动修复很容易引入错误，需要消耗大量的时间， 并且在需求、设计决策和修改方面很难进行管理。所以，在汽车电子软 件设计中需要寻求完整的方法和工具链支持。 对新功能的容纳能力较弱。现有的汽车电子软件设计过程中，存在需求 规约不一致、子系统问松散集成等问题，从而导致所设计的软件比较脆 弱，不容易接收一些新增的功能。由于汽车讵朝着多功能的方向发展， 新功能的增加将变得非常频繁。所以，如何在保证系统可靠性、成本稳 定和对系统进行尽量小改动的情况下，实现新功能的有效集成是非常重 要的。 8 硕l 学位论文 随着网络技术、半导体技术、嵌入式技术的发展以及汽车机电一体化、服务 信息化和控制数字化的特点和趋势同益明显，汽车电子的概念逐渐由与汽车结构、 性能、匹配有紧密关联的电控系统和相对独立的车载电子装置，扩展延伸到一个 网络化的概念。软件在汽车电子系统中的重要性同趋明显，汽车电子软件的设计 也由以往的定制化向模块化的方向发展。汽车电子厂商、半导体厂商、软件厂商 之间的联系将更加紧密，分工也更加细致，a u t o s a r 联盟的成立就充分说明了 这一趋势。下面将对汽车电子软件设计的发展趋势进行总结： 1 增强可重用设计 伴随着汽车电子系统的发展进入网络化和智能化的高级阶段，软件在汽车电 子控制系统中将发挥越来越重要的作用。日益激烈的市场竞争，在丌发周期和成 本控制方面对汽车电子软件设计造成巨大压力。所以，软件的可重用设计成为汽 车电子软件设计的一个重要发展趋势，产品线实践方式i l3 1 、基于组件的软件设计 方法1 1 4 i 和模型驱动的设计方法【15 】等将受到越来越多汽车电子厂商的欢迎。 2 上层应用与执行平台的分离 传统的汽车电子软件与e c u 控制单元是紧密相连的，每个e c u 单元只完成 特定的控制任务，从而容易造成资源浪费和设计灵活性差等问题。随着汽车朝着 智能化和多功能的方向发展，如需要对车身周围3 6 0 0 范围内的环境进行感知等， 传统的汽车电子软件设计方法很难满足上述要求。所以需要在软件架构和设计方 法方面急需取得一些创新。欧洲推行的a u t o s a r 层次化软件设计框架l lo j 和伯克 利大学a l s a n g i o v a n n i v i n c e n t e l l i 等推行的基于平台的软件设计( p l a t f o r m b a s e d d e s i g n ，p b d ) 方法1 1 6 j 都提出将上层软件的设计与下层物理体系结构分离开， 每个功能都被建模成一个任务图，并自动完成到下层物理体系结构的映射。在该 映射过程中，任务和消息的分配、周期分配、优先级分配和物理体系结构中总线 的访问配置等都是需要解决的关键问题。 3 软件设计的自动化程度增加 一方面，随着汽车电子系统中的功能多样化发展，造成了车内代码量的急剧 增加，这给汽车电子软件的没计造成了巨大困难；另一方面，激烈的市场竞争， 对软件- 丌发效率和成本等提出了严峻的挑战。自动化的代码生成工具和软件设计 方法在提高系统丌发效率，降低系统开发成本方面将在汽车电子软件设计中起到 越来越重要的作用。 4 形式化验证技术 汽车电子软件在可靠性、安全性和实时性方面有着极高的要求。传统的基于 仿真和测试的方法要在软件设计的后期才丌始介入，往往导致设计中的问题遗留 到后期才得以发现。错误在设计成本上具有放大性，在软件设计后期再进行修改 将给系统成本和上市时问造成非常不利的影响。形式化验证技术在软件设计的前 9 汽卞电了软件设计中用期分配和总线访问配置算法研究 期就开始介入，能为软件设计的正确性和可靠性提供有力保障，如模型检测技术 【1 引、抽象解释技术。9 1 和推理验证技术2 0 1 等。它们在工业界已经得到了一定范围 的应用，并取得了比较好的效果。 5 标准化 近年来，汽车电子控制软件在汽车中所占的比例持续增加，而且随着汽车的 智能化和网络化发展，这种趋势将得到迸一步的发展。各国在汽车排放方面都颁 布一系列严格的法规，这对汽车电子软件在精确控制方面提出了更高的要求，这 些都将造成汽车电子软件复杂性的急剧增长。面对上述复杂性控制问题，汽车工 业界认识到必须对汽车电子软件的设计进行标准化。鉴于此o s e k v d x 、 a u t o s a r 等汽车电子软件相关的标准应运而生，这些标准将极大地推动汽车电 子软件的发展。 2 2 基于平台的汽车电子软件设计 2 2 1基于平台的软件设计方法介绍 随着电子工业的垂直化分解，激烈的市场竞争在上市时间、设计和制造成本 等方面给电子工业造成了巨大压力。加上在集成电路实现的掩模过程中非连续性 工程( n o n r e c u r r i n ge n g i n e e r i n g ，n r e ) 成本增加等原因，产生自个人电脑设计领 域的基于平台的软件设计方法i m 叫7 1 在汽车电子、航空航天电子和工业控制电子等 电子工业的设计中得到了引入和长足发展。p b d 遵循如下两条重要的设计原则： 设计既不是一个自上而下的过程，也不是一个自下而上的过程，而是对 上层需求舰约的持续精化和对下层实现的持续抽象两者不断靠近，并最 终达成一致的过程。 对精化和抽象所在层次的精确定义非常重要。对这些层次的清晰定义可 以既隔绝底层实现的细节，又能通过抽象获取与下层相关的足够多的信 息，使得在最终实现中能获得对各属性的准确预测。在抽象层次中获得 的信息通常以参数的形式对设计决策进行描述，这些抽象层次也就是所 说的平台。 具体来说，p b d 中的平台是指组件库以及库中组件的组合规则。设计在每个 抽象层次上都是一个平台实例，即一系列组件元素的有效组合。组件库中包括完 成特定计算任务的计算组件和完成功能组件问互联的通信组件。库中每个元素都 有着各自的性能参数，并在所支持的功能方面都有着各自的特点。对于每个平台 层次，存在一些方法来实现上层抽象到下层平台的映射，还存在另外一些方法对 底层抽象层次的性能进行估计。 p b d 设计方法中概念框架的应用和所采用的折中方式，是对设计决策和体系 l o 硕士学位论文 结构层次的解决方案进行选择的关键。p b d 要求能清晰地区分各个抽象层次，并 能提供一个接口，来对功能体系结构的规约和各种可能实现的抽象进行区分。所 以，在汽车电子软件的设计过程中，应用层的软件组件与控制器硬件、e c u 硬件、 i o 设备、传感器、执行器和通信链接等是无关的，而且应用层的软件组件与软 件到各计算节点的划分也是无关的。这正体现了将上层的功能应用与底层的执行 平台分离开来的设计方法。 图2 4 基于平台的软件设计方法1 2 0 图2 4 对p b d 中的各个基本要素进行了说明。两个圆锥的顶点代表了功能模 型和物理体系结构平台的组合。系统设计者将应用映射到一系列以优化成本、效 率、能耗、可靠性、实时性和灵活性等为目标的体系结构的抽象表示中。应用层 逻辑与底层硬件或基础软件的解耦，使得在对应用层软件组件进行重用时，不需 要对底层平台做出修改。 2 2 2基于平台的汽车电子软件设计 汽车电子软件系统的定义开始于一系列系统特征的规约说明，这些规约说明 是对系统所提供功能的高层描述。功能模型正是对上述特征进行分解所得到的一 组层次化的组件模块。物理体系结构模型是对汽车网络拓扑结构的描述，包括通 信总线、e c u 单元和对各种资源的管理策略等。 功能和体系结构规约两者主要关注于通过系统抽象模型的定义，将高层的需 求规约映射到特定的软件或硬件平台。功能模块和物理体系结构模型间的映射是 嵌入式系统设计的关键，也是很多设计方法的根本原则，如p b d 、p t o l e m y l 2 l j 和 m e t r o p o l i s l 2 2 l 框架等。本文研究的任务周期分配和总线访问配置问题，正是上述 映射过程中的关键问题。如图2 5 所示，接下来将对基于平台的汽车电子软件设 计的各个关键组成部分进行介绍。 汽车l 乜了软件设计中周期分配和总线访问配置算法研究 图2 5 基于平台的汽车电子软件设计 2 2 2 1 功能模型 汽车电子系统的功能规约是整个设计过程的起点，它对系统所能提供的各个 功能进行描述。功能模型是由系统功能分解得到的一组组件模块以及相互之间的 通信关系组成，上述分解过程需要借助于体系结构搜索相关信息的抽取。分解得 到的组件模块中包含特定的系统行为，这些组件模块由层次化组合形成了系统的 功能模块。组件通过一系列的端口向外界( 其它组件) 提供需求和服务接口。对 于基于分布式体系结构的汽车电子系统来说，实时性是系统性能的重要方面。时 问在功能模型中表现为执行路径的端到端时延，任务的触发抖动和偏移量等。执 行路径指的概念可以参照图3 3 。 2 2 2 2 物理体系结构模型 物理体系结构模型是由汽车网络( 包括c a n 、f l e x r a y 和t t p 等) 、e c u