【導讀】從汽車電動化
、智能化
、網聯化
、共享化的角度闡述了新型整車控製器關鍵技術需求，包括高計算性能
、高通訊帶寬、高功能安全性、軟件持續更新。針對上述需求總結了以太網
、CANFD、多核芯片
、雙核心、OTA關鍵技術行業現狀
，對未來發展趨勢進行了展望。

1.前言 

電動化、智能化、網聯化和共享化是汽車產業公認的未來發展方向。作為電動汽車核心零部件
，整車控製器必須能夠支撐汽車“四化”。其必須滿足高計算性能
、高通信帶寬、高功能安全性、ruanjianchixugengxindengxuqiu。muqianzhengchedianzidianqijiagoujizhengchekongzhiqisuodazaijishupubianwufamanzuyishangxuqiu。weifugaishangshuxuqiu，weilaiqichechanpinjiangzhujiancaiyongjizhongshidianzidianqijiagou
，tongshizhengchekongzhiqibixubaohanyitaiwang、CANFD、多核芯片、雙核心、OTA等關鍵技術。

本文將首先介紹整車控製器與分布式和集中式2種電子電氣架構的關係
，然後分別介紹了新型整車控製器的關鍵技術

，對技術內容進行了分析
，提出了未來發展趨勢並進行了展望。

2.整車控製器與電子電氣架構

1 整車控製器與分布式電子電氣架構

在(zai)以(yi)往(wang)的(de)芯(xin)片(pian)能(neng)力(li)前(qian)提(ti)下(xia)
，受(shou)到(dao)計(ji)算(suan)能(neng)力(li)及(ji)通(tong)信(xin)能(neng)力(li)的(de)限(xian)製(zhi)，整(zheng)車(che)控(kong)製(zhi)器(qi)無(wu)法(fa)集(ji)成(cheng)所(suo)有(you)的(de)車(che)輛(liang)控(kong)製(zhi)軟(ruan)件(jian)
，即(ji)使(shi)是(shi)新(xin)能(neng)源(yuan)部(bu)件(jian)控(kong)製(zhi)相(xiang)關(guan)的(de)軟(ruan)件(jian)也(ye)無(wu)法(fa)全(quan)部(bu)集(ji)成(cheng)。這(zhe)決(jue)定(ding)了(le)整(zheng)車(che)控(kong)製(zhi)器(qi)隻(zhi)能(neng)作(zuo)為(wei)分(fen)布(bu)式(shi)電(dian)子(zi)電(dian)氣(qi)架(jia)構(gou)中(zhong)的(de)一(yi)員(yuan)
，但(dan)是(shi)這(zhe)種(zhong)關(guan)係(xi)限(xian)製(zhi)了(le)功(gong)能(neng)變(bian)更(geng)及(ji)擴(kuo)展(zhan)。

zaifenbushidianzidianqijiagouzhong，yixiangzhengchecengjidegongnengyouduogekongzhiqipeihewancheng。mouxianggongnengdeshixiankenengxuyaojigehuoshijigekongzhiqixianghupeihe
，bingqiezhexiekongzhiqikenengfenbuzaizhengchebutongdewangluozhong(圖1)。整個交互過程與時間配合異常複雜。整車普遍有100餘(yu)個(ge)控(kong)製(zhi)器(qi)，幾(ji)百(bai)項(xiang)整(zheng)車(che)級(ji)功(gong)能(neng)，功(gong)能(neng)與(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)本(ben)身(shen)的(de)物(wu)理(li)連(lian)接(jie)交(jiao)織(zhi)成(cheng)一(yi)個(ge)巨(ju)大(da)而(er)複(fu)雜(za)的(de)網(wang)
，非(fei)常(chang)不(bu)利(li)於(yu)模(mo)塊(kuai)化(hua)設(she)計(ji)與(yu)擴(kuo)展(zhan)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)新(xin)功(gong)能(neng)，需(xu)要(yao)在(zai)上(shang)述(shu)的(de)複(fu)雜(za)功(gong)能(neng)網(wang)絡(luo)上(shang)考(kao)慮(lv)各(ge)部(bu)分(fen)相(xiang)關(guan)性(xing)，並(bing)對(dui)大(da)量(liang)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)軟(ruan)件(jian)進(jin)行(xing)修(xiu)改(gai)及(ji)測(ce)試(shi)。

圖1 整車控製器在分布式電子電氣架構中的位置

2 整車控製器與集中式電子電氣架構

suizhexinpianjichezaiyitaiwangdefazhan，zhengchekongzhiqiyijingjubeijichengdabufencheliangkongzhiruanjiandenengli。fenbushidianzidianqijiagouzhengzaizhujianxianggaodujichenghuahezhinenghuafazhan，zhengchekongzhiqizaidianzidianqijiagouzhongdeweizhiyesuizhifashengbianhua


，zhenzhengshixiancheliangcengjidejichengxingkongzhiqi
，qikongzhihangaidongli
、底盤以及一些網關功能。整車控製器與集中式電子電氣架構的關係如圖2所示。將大部分的功能集成於整車控製器中會極大地減少整車線束長度與控製器數量。

圖2 整車控製器在集中式電子電氣架構中的位置

3.新型整車控製器關鍵技術

為支撐汽車“四化”

，整車控製器必須滿足高通信帶寬、高計算性能
、高功能安全性、軟件持續更新等多項需求。其中，高通信帶寬催生了車載以太網、CANFD技術發展
；高計算性能催生了多核芯片和雙核心控製架構技術發展
；軟件持續更新催生了OTA技術發展。這些技術將被普遍應用在新型整車控製器上。下麵將分別介紹這些技術。

1 車載以太網

在過去20年裏通信帶寬問題一直困擾著汽車行業。在這期間，CAN總線是主流的車載網絡技術。其1 Mbit/s的(de)標(biao)稱(cheng)速(su)度(du)在(zai)該(gai)技(ji)術(shu)早(zao)期(qi)對(dui)於(yu)汽(qi)車(che)帶(dai)寬(kuan)需(xu)求(qiu)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)裕(yu)度(du)。然(ran)而(er)近(jin)年(nian)來(lai)隨(sui)著(zhe)車(che)輛(liang)控(kong)製(zhi)邏(luo)輯(ji)越(yue)來(lai)越(yue)複(fu)雜(za)，所(suo)需(xu)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)量(liang)急(ji)劇(ju)增(zeng)加(jia)，雖(sui)然(ran)集(ji)中(zhong)式(shi)電(dian)子(zi)電(dian)氣(qi)架(jia)構(gou)可(ke)以(yi)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)減(jian)少(shao)控(kong)製(zhi)器(qi)數(shu)量(liang)，但(dan)是(shi)由(you)於(yu)域(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)計(ji)算(suan)能(neng)力(li)遠(yuan)高(gao)於(yu)原(yuan)有(you)車(che)輛(liang)控(kong)製(zhi)器(qi)，因(yin)此(ci)1 Mbit/s的CAN通信帶寬顯然是無法滿足數據交互需求的。

更高的通信帶寬要求加速了以太網和汽車行業的融合。以太網誕生於20世紀70年代，其最早的雛形與如今家庭、辦公
、服務器機房、shujucangkuyunxingdeyitaiwangzaoyijieranbutong。jinguanyitaiwangyushijujindifazhan，danshiyingyongyuqicherengyouyixiewenti，zuizhuyaodeshidiancijianrongxingwenti。zhexiexianzhizaiBroadR-Reach技術出現後被打破
，該技術可在單對非屏蔽雙絞線上提供100 Mbit/s的de帶dai寬kuan。這zhe種zhong傳chuan輸shu方fang法fa從cong未wei應ying用yong在zai之zhi前qian的de以yi太tai網wang。即ji便bian物wu理li層ceng變bian化hua，這zhe種zhong技ji術shu仍reng能neng夠gou在zai高gao層ceng實shi現xian與yu以yi太tai網wang的de無wu縫feng結jie合he且qie運yun行xing方fang式shi不bu變bian。目mu前qian
，該gai技ji術shu已yi經jing用yong於yu量liang產chan車che型xing。同tong時shi，支zhi持chi更geng快kuai速su度du的deRTPGE技術正在研發中，在保留軟件兼容性的同時，其帶寬有望提升到1 Gbit/s。

盡(jin)管(guan)通(tong)信(xin)帶(dai)寬(kuan)有(you)著(zhe)明(ming)顯(xian)的(de)優(you)勢(shi)
，但(dan)受(shou)製(zhi)於(yu)成(cheng)本(ben)及(ji)功(gong)耗(hao)因(yin)素(su)，車(che)載(zai)以(yi)太(tai)網(wang)主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)於(yu)骨(gu)幹(gan)網(wang)絡(luo)。用(yong)於(yu)整(zheng)車(che)控(kong)製(zhi)器(qi)與(yu)其(qi)他(ta)域(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)通(tong)信(xin)
，如(ru)圖(tu)3。而對於域內的智能執行器和傳感器，使用其他低成本解決方案，如CANFD
、CAN
、LIN。

圖3 整車控製器使用以太網與其他域控製器通信

當然，在整車控製器上增加車載以太網麵臨著巨大的改變：相對於CAN通信更龐大的軟件協議棧；更大的控製器功耗

；更大的靜態電流
，這些都需要在係統設計時被考慮。

2 CANFD

考慮到成本及功耗，整車上隻有骨幹網使用高通信帶寬的以太網通信。但是對於其他子網，標稱1 Mbit/s的CAN通信也迫切的需要提升通信速度。目前成熟的CANFD技術是一個好的解決方案。

CANFD總線是CAN總線的高帶寬解決方案，博世公司於2011年首先提出CANFD概念，並於2012年首先發布CANFD1.0版本。在保留CAN總線主要特性的同時，改善了錯誤幀漏檢率，同時保證網絡中大部分軟硬件特別是物理層不變。將總線的最高傳輸速率提高到5 Mbit/s以上（CAN通信的最高傳輸速率為1 Mbit/s,實際使用速率最高為500 kbit/s）。

更重要的是
，CANFD數據長度最長64字節，這使得CANFD的數據場占比達到近85%。CAN的數據場占比隻有約50%。這意味著即使同樣的通信帶寬，CANFD可以多傳輸約70%的有效數據。CANFD幀格式如圖4所示。

圖4 CANFD幀格式

更為關鍵的是，由於CANFD保留了CAN的大部分關鍵特性，所有的CANFD芯片都能夠兼容CAN。這使得選擇CANFD芯片的控製器在不改變硬件的情況下，隻修改軟件即可適配CAN通信網絡。CANFD技術有多重優勢
，在未來相當長一段時間內，車載以太網與CANFD將會長期共存
，各司其職，共同發展。

3 多核芯片

同(tong)傳(chuan)統(tong)消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)領(ling)域(yu)早(zao)期(qi)一(yi)樣(yang)

，為(wei)了(le)獲(huo)得(de)更(geng)快(kuai)的(de)處(chu)理(li)速(su)度(du)，汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)采(cai)用(yong)提(ti)升(sheng)核(he)心(xin)頻(pin)率(lv)的(de)方(fang)式(shi)來(lai)提(ti)升(sheng)處(chu)理(li)速(su)度(du)。但(dan)為(wei)了(le)兼(jian)顧(gu)穩(wen)定(ding)性(xing)，核(he)心(xin)頻(pin)率(lv)提(ti)升(sheng)遇(yu)到(dao)瓶(ping)頸(jing)，未(wei)來(lai)小(xiao)幅(fu)的(de)提(ti)升(sheng)核(he)心(xin)頻(pin)率(lv)已(yi)經(jing)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)日(ri)益(yi)增(zeng)長(chang)的(de)軟(ruan)件(jian)執(zhi)行(xing)速(su)度(du)需(xu)求(qiu)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)選(xuan)擇(ze)了(le)與(yu)消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)一(yi)樣(yang)的(de)技(ji)術(shu)路(lu)線(xian)，采(cai)用(yong)多(duo)核(he)芯(xin)片(pian)。

duohexinpiandafutishenglexinpiandeyunsuannengli。zheshiyizhongbingxingdefangfa。suoyizaiyingyongzhongxianghuodetongyangdexiaoguo
，xuyaozairuanjianshejishihelidijianggebufenruanjianfenpeidaogegehexinzhong。yuanzeshijinliangrangsuoyouruanjianbingxing。duohexinpiandesuanliyutongpinlvdanhexinpiandesuanlijiasubikeyishiyongAmdahl定律來評估。公式如式（1）：

其中，S為多核芯片的算力與同頻率單核芯片的算力加速比；a為並行計算部分所占的比例；n為核心數量。

如圖5
，當並行程序為75%時，加速比的極限性能為4.0。在10核(he)以(yi)內(nei)增(zeng)加(jia)核(he)心(xin)數(shu)都(dou)可(ke)以(yi)大(da)幅(fu)提(ti)升(sheng)運(yun)算(suan)性(xing)能(neng)。前(qian)期(qi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)此(ci)方(fang)式(shi)對(dui)係(xi)統(tong)運(yun)算(suan)能(neng)力(li)和(he)分(fen)配(pei)要(yao)求(qiu)做(zuo)大(da)略(lve)的(de)評(ping)估(gu)，尋(xun)找(zhao)一(yi)個(ge)最(zui)佳(jia)投(tou)入(ru)產(chan)出(chu)點(dian)。同(tong)時(shi)這(zhe)個(ge)公(gong)式(shi)還(hai)指(zhi)出(chu)，對(dui)於(yu)一(yi)個(ge)核(he)心(xin)數(shu)量(liang)固(gu)定(ding)的(de)多(duo)核(he)係(xi)統(tong)

，增(zeng)加(jia)程(cheng)序(xu)並(bing)行(xing)性(xing)是(shi)提(ti)升(sheng)係(xi)統(tong)運(yun)算(suan)性(xing)能(neng)的(de)有(you)效(xiao)措(cuo)施(shi)。

圖5 並行程序占75%時，加速比S與核心數量n之間的關係

4 雙核心控製架構

在過去的幾十年裏，汽車電子行業一直采用微控製器（MCU）搭建各種類型的車載控製係統。盡管不同廠家的微控製器性能各異，但他們都有一些通用的特點：集成度高

、價格低廉、高可靠性、核心頻率低、程序是預先裝載的以及不允許用戶安裝軟件。軟件定義汽車的出現，要求整車控製器具備高計算性能
、程序可更新、客戶可安裝軟件等特性，在整車控製器上微控製器便不能再獨自勝任。

目前主流的解決方案是引入微處理器（MPU）作為微控製器的補充。組成雙核心高性能整車控製器。這些微處理器與智能手機或PC中zhong使shi用yong的de微wei處chu理li器qi非fei常chang相xiang似si，具ju有you強qiang大da的de計ji算suan及ji數shu據ju處chu理li能neng力li和he高gao核he心xin頻pin率lv。但dan其qi並bing不bu像xiang微wei控kong製zhi器qi具ju有you種zhong類lei繁fan多duo的de外wai設she
，甚shen至zhi連lian程cheng序xu運yun行xing所suo必bi須xu的deRAM、ROM都不包含，所以硬件設計時必要的外設需要被重新考慮。

整車控製器中同時包含了微處理器與微控製器（圖6）。由於這是2個(ge)獨(du)立(li)的(de)軟(ruan)件(jian)係(xi)統(tong)去(qu)實(shi)現(xian)一(yi)些(xie)共(gong)同(tong)的(de)功(gong)能(neng)，核(he)間(jian)通(tong)信(xin)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)。核(he)間(jian)通(tong)信(xin)有(you)大(da)量(liang)數(shu)據(ju)量(liang)傳(chuan)輸(shu)
，對(dui)通(tong)信(xin)帶(dai)寬(kuan)要(yao)求(qiu)較(jiao)高(gao)，且(qie)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)必(bi)須(xu)同(tong)時(shi)被(bei)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)所(suo)支(zhi)持(chi)。滿(man)足(zu)上(shang)述(shu)特(te)點(dian)的(de)以(yi)太(tai)網(wang)是(shi)一(yi)個(ge)優(you)質(zhi)選(xuan)擇(ze)。

圖6 微控製器（MCU）與微處理器（MPU）集成度差別

雙核心控製架構還有一種形式
，高集成度的SOC（System on Chip）芯片同時集成微控製器和微處理器。盡管物理上統一，但這仍然是2個獨立的軟件係統，需要相互配合去實現一些共同的功能。

在雙核心架構的整車控製器中
，微控製器和微處理器采用不同的操作係統。CLASSIC AUTOSAR依然是微控製器最好的操作係統解決方案。而對於微處理器，操作係統選擇空間很大
，主要包括Linux、QNX、VxWorks、PikeOS。雖 然AUTOSAR推 出 了ADAP⁃TIVE AUTOSAR，但嚴格來講，這並不是一個完整的操作係統。ADAPIVE AUTOSAR無法獨立運行
，它運行於POSIX標準接口之上。而POSIX接口還需要上述提到的Linux、QNX、VxWorks、PikeOS等操作係統來提供。同CLASSIC AUTOSAR相比，ADAPTIVE AU⁃TOSAR的模塊數量不足前者15%。從目前情況看，若想達到CLASSIC AUTOSAR在汽車行業的普及率，ADAPTIVE AUTOSAR依然有很多路要走。

5 OTA

在(zai)過(guo)去(qu)的(de)幾(ji)十(shi)年(nian)裏(li)，汽(qi)車(che)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)所(suo)有(you)的(de)軟(ruan)件(jian)都(dou)是(shi)預(yu)先(xian)裝(zhuang)載(zai)的(de)。車(che)輛(liang)交(jiao)付(fu)給(gei)客(ke)戶(hu)後(hou)，沒(mei)有(you)不(bu)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)軟(ruan)件(jian)問(wen)題(ti)，一(yi)般(ban)不(bu)會(hui)對(dui)車(che)輛(liang)軟(ruan)件(jian)進(jin)行(xing)更(geng)新(xin)；一yi旦dan發fa現xian軟ruan件jian問wen題ti，要yao進jin行xing車che輛liang召zhao回hui。統tong一yi由you售shou後hou服fu務wu人ren員yuan逐zhu一yi為wei有you問wen題ti的de車che輛liang升sheng級ji軟ruan件jian。對dui售shou後hou部bu門men來lai說shuo，這zhe是shi一yi筆bi非fei常chang龐pang大da的de開kai銷xiao。據ju統tong計ji2015年美國汽車召回達到8 400萬量，其中6.4%的召回與軟件有關。而空中升級技術（Over-the-Air Technology，OTA）可以解決上述問題。

OTA技術
，最早用於手機端，用戶可以通過雲端下載和更新軟件。帶有OTA的汽車也同樣可以通過雲端遠程進行車輛係統和功能的升級更新。特斯拉首先將OTA技術應用於汽車上。

OTA技術需要雲端和車內端係統同時部署
，OTA架構如圖7。主要介紹整車控製器支撐OTA需要實現哪些功能。在經過授權情況下，軟件從雲端經OTA Client進入車內端。經過防火牆，分發到需要升級的控製器。

圖7 OTA係統方案

OTA是一個複雜的過程，為了避免出現問題，下述問題在整車控製器設計時必須被考慮。

（1）需要支持程序回滾，在OTA升級失敗或新程序運行不穩定的情況下，使程序回滾到穩定運行版本；

（2）需要考慮信息安全，通過通信加密
、軟件包驗簽等方式保證軟件信息安全
；

（3）需要對車輛配置進行識別並對OTA能否開始條件進行判斷
；

（4）需要考慮軟件OTA升級通信速率問題
，避免出現由於升級時間過長，影響用戶用車的情況。

4.結語

綜上所述

，為支撐汽車實現電動化、智能化、網聯化和共享化，作為電動汽車核心零部件的整車控製器必須具備高計算性能
、高通信帶寬
、高功能安全性
、軟ruan件jian持chi續xu更geng新xin的de特te點dian。本ben文wen首shou先xian介jie紹shao了le在zai這zhe些xie新xin特te點dian下xia整zheng車che控kong製zhi器qi與yu電dian子zi電dian氣qi架jia構gou之zhi間jian的de關guan係xi。然ran後hou，結jie合he相xiang關guan成cheng熟shu技ji術shu

，闡chan述shu新xin型xing整zheng車che控kong製zhi器qi將jiang配pei備bei車che載zai以yi太tai網wang
、CANFD、多核芯片、雙核心控製和OTA關guan鍵jian技ji術shu。最zui後hou，對dui上shang述shu技ji術shu進jin行xing了le介jie紹shao，分fen析xi了le在zai整zheng車che控kong製zhi器qi上shang應ying用yong涉she及ji的de相xiang關guan特te性xing。其qi中zhong很hen多duo特te性xing並bing不bu局ju限xian於yu整zheng車che控kong製zhi器qi，對dui其qi他ta控kong製zhi器qi也ye有you借jie鑒jian意yi義yi。

來源：九章智駕

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