上图是一张被广泛应用的汽车E/E架构演进图,日系车大多还停留在倒数第二Integration阶段,特斯拉最新的Model Y是Domain Centralization阶段,实际这个阶段只是把域控制器按空间位置简单地分开,不能算严格的域控制器。特斯拉的Cybertruck是处于Domain Fusion阶段,95%的国产新兴造车也是处于此阶段,典型特征就是域控制器拥有以太网接口,再向上就是Zone阶段,之所以不说Vehicle Computer是因为CAN XL或10M以太网进展缓慢,传统CAN或CAN FD网络还得保留,未达到车辆把运算都集中到中央计算域的程度。Zone阶段典型特征就是Zone域控制器有以太网交换机。某些国产高端如问界M9,还有奇瑞星纪元ES,智己LS6已经基本达到此架构,但集成度还有点低。
图片来源:德州仪器《How a Zone Architecture Paves the Way to a Fully Software-Defined Vehicle》
Domain和Zone,二者最大区别就是Zone架构将物理I/O分离出来,只保留逻辑I/O,换句话说,软硬分离,物理I/O代表硬件的物理层,逻辑I/O是软件概念的。
逻辑I/O来自IT行业,即服务调用。
服务(Service)这个术语来自IT行业,IT行业是构建在以太网上的,它是基于交换的通信,是点对点联络加各种转发。面向服务架构(Service Oriented Architecture,简称 SOA)在软件、信息通信领域是非常成熟、常见的软件架构设计理念,它鼓励提供抽象访问接口和模块化软件组件的方式,让软件模块很容易在不同场景下复用,通常以 Software Development Kits(SDK)、软件库、以及远程调用的方式提供,上层系统通过复用和自由组合既有软件模块,可以实现快速开发特定的功能,并能降低测试验证成本和开发周期。高内聚、松耦合、可扩展性强是 SOA 架构的核心特点。
而Domain则不然,它的物理I/O与逻辑I/O实际是一体的,无法分割开,这就是CAN网络。CAN网络是信号导向架构(Signal Oriented Architecture),ECU 的功能是固定的,彼此通过 LIN/CAN 等总线进行广播式通信,软件提前编写并固化在 ECU 内运行。随着汽车功能越来越多越来越复杂,ECU 的数量也急剧增多,微小的功能改动都可能会引起整车通信甚至其它 ECU 软件的更新,这种架构不具备灵活性和扩展性,开发与验证的成本非常高。这是软件复杂程度和成本快速上升的主要原因。
图片来源:德州仪器《Zone architecture, Ethernet drive vehicle of the future》
这是理想状态的Zone架构,CAN XL架构支持20Mbit/s,所以这里也不是完全放弃CAN而只用以太网。
图片来源:德州仪器《Zone architecture, Ethernet drive vehicle of the future》
典型Zone架构
图片来源:NXP Automotive Zone Controller
NXP Zone控制器参考方案
显然Zone控制器必须具备以太网交换机。
用词方面,在S32K3下是Aggregator,但S32G RDB下则是Controllers,显示出不同。
S32K是NXP的一个MCU系列,包括多款产品,其应用分布如上图,只有S32K388和S32K39/37/36支持TSN以太网,所以才能是Zone Controller。
Zone Controller MCU需要满足以下几点,首先是实时运算性能强,至少6MB以上的Flash存储容量,支持最低ASIL B级标准,具备百兆,最好是千兆以太网接口。
图片来源;德州仪器《How a Zone Architecture Paves the Way to a Fully Software-Defined Vehicle》
上图中,德州仪器特别点出了TSN即时间敏感网络。
图片来源;德州仪器《How a Zone Architecture Paves the Way to a Fully Software-Defined Vehicle》
简单地说就是TSN(时间敏感网络),是时间触发,而不是传统以太网的event触发,具备时间敏感性,也就是具备确定性,与传统以太网的尽力而为区别较大,它不一定保证延迟低,但是确保延迟是可以确定的。
德州仪器的Zone Controller配合外围驱动,可以控制车门、座椅、灯光、电机、风扇、各种泵、各种阀、HVAC等,基本上大大减少MCU使用数量。
Zone控制器的核心是AM263P4,这已经不能算一款MCU了,应该算一款SoC,一般内部是4个Cortex-R5F,运行频率400MHz,拥有8MB的OSPI FLASH和3MB的SRAM,最大特色是内部包含了一个三口的千兆车载以太网交换机,支持TSN的关键协议802.1AS即gPTP,即时间同步系统,确保整个系统时间戳同步,且是静态网络无需配置。
高级智能驾驶包含多个传感器,地图、GPS定位也可算一种传感器,多个传感器和ECU系统需要统一Clock时钟系统,即时间同步。802.1AS诞生于2011年,2020年得到进一步加强,称之为802.1ASdm。
2020年升级后提供两套冗余,即使主时钟失效,一路连接失效,整体系统仍然可以保持时间同步,L3系统必备。
最后做个总结,Zone架构必须包含以太网交换机,支持802.1AS,支持ASIL-B,这才是先进的Zone架构。
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