汽车电子与软件架构_魏学哲_9787111727781

汽车电动化、智能化和网联化促进了汽车电子技术变革。本书从汽车电子的学科特点和技术基础出发，介绍了汽车电子硬件、通信和软件架构的发展过程和动因，总结了各个阶段的技术特征，并阐述了硬件技术发展的进程；介绍了汽车通信技术的发展过程，重点介绍了CAN、CAN FD、CAN XL、FlexRay、MOST等传统车载网络技术，以及车载以太网技术及其关键协议；详述了汽车电子基础软件AUTOSAR CP和AUTOSAR AP相关技术及其应用方向；论述了面向服务的软件架构（SOA）的基本概念、发展过程、结构模型等，并对SOA的实现基础、设计流程和市场实践进行了简介；分析了汽车电子V模式开发、敏捷开发的理念和技术特点，重点介绍了OTA升级技术的基本概念、发展过程以及对智能汽车的重要意义。
本书可作为汽车电子与软件的专业课教材，也可作为汽车电子与软件系统开发相关领域工程技术人员、科研人员、研究生的参考用书。

汽车电子是同济大学非常有特色的专业方向，同济大学汽车学院开设汽车电子嵌入式系统相关课程已经有20多年的时间了。2010年我所编写的《汽车嵌入式系统：原理、设计与实现》讲述了汽车嵌入式系统的基本概念、基础知识，重点介绍了汽车电子嵌入式系统独具特色的开发方法、软件架构和开发流程，作为教材沿用至今。
近十多年来，汽车行业形势发生了巨大变化：一是汽车动力系统发生了革命，电动化成为汽车行业的潮流，因此，汽车电子的控制对象增加了电机、电池、燃料电池等电源和电驱动单元，并因此增加了大量电力电子的内容；二是自动驾驶和智能座舱作为电动底盘的上层建筑，得到了快速发展，自动驾驶所需的环境感知、智能决策技术以及智能座舱所需的人机交互、信息娱乐和车载通信技术与传统汽车电子面向机电系统控制的嵌入式系统技术有很大的不同，因此引起了汽车电子的根本性改变，这个改变不仅仅体现在应用层，更体现在底层的电子电气和软件架构上。
电子与软件架构的核心是建立异构、分布式电子系统的规范化框架，统一面向物理系统的实时控制和面向人车路一体全生命周期的智能信息处理，其规范化的核心是定义功能和接口，为有机融合底层硬件、通信协议、操作系统、用户软件和开发工具奠定基础。本书系统梳理了以上基本概念、发展逻辑和基础体系。
全书从汽车智能化和网联化的背景出发，引出了一个面向实时控制和复杂多元信息处理的汽车电子新体系；车载通信介绍了汽车主干网从LIN/CAN总线向车载以太网的发展过程及核心技术；基础软件从OSEK规范的设立及其实时操作系统开始讲起，其目的是与《汽车嵌入式系统：原理、设计与实现》衔接，重点介绍了包括AUTOSAR CP、AUTOSAR AP在内的新型软件架构；此后介绍了面向服务的软件架构SOA的基本概念、发展过程、结构模型和设计实践；最后介绍了汽车电子系统开发流程，包括V模式、敏捷开发模式和空中软件升级技术。
本书主要面向高校汽车、计算机相关学院、科研机构的学生和教师，汽车企业、汽车电子零部件企业的科研人员等。本书既可以用作汽车电子与软件的入门级教材，也可用作汽车电子与软件系统开发的参考工具书，本书可以和《汽车嵌入式系统：原理、设计与实现》配合使用，以更全面地理解智能电动汽车的汽车电子技术面临的主要问题以及在解决问题中发展出来的核心概念、取得的关键技术及积累的知识体系。
由于作者水平所限，本书疏漏之处在所难免，请各位读者不吝批评指正。

编　　者

序
前言
第1章　汽车电子与软件架构
1.1　汽车电子与软件架构发展背景 001
1.2　汽车电子与软件架构概述 003
1.3　汽车电子拓扑架构的演进过程 005
1.3.1　基于CAN总线的分布式控制架构 005
1.3.2　分布到集中的动力系统及基于域控制器的架构 006
1.3.3　拓扑架构集中的趋势及其演变 009
1.3.4　集成式与分布式的对比 011
1.3.5　汽车电子拓扑架构演进路线 012
1.4　汽车电子硬件架构及实例 013
1.4.1　芯片级架构 014
1.4.2　控制器级架构 018
1.5　本章小结 021
思考题 021
第2章　车载通信网络
2.1　车载通信网络概述 022
2.1.1　通信网络的基本概念 022
2.1.2　车载通信网络概述 032
2.2　传统车载网络及其发展 034
2.2.1　CAN总线 034
2.2.2　MOST总线 036
2.2.3　LIN总线 036
2.2.4　FlexRay总线 036
2.2.5　CAN FD总线 037
2.2.6　CAN XL总线 041
2.3　车载以太网 042
2.3.1　车载以太网简介 044
2.3.2　以太网物理层基本概念 051
2.3.3　车载以太网物理层规范 054
2.3.4　车载以太网数据链路层 058
2.3.5　车载以太网TCP/IP协议栈 060
2.4　面向服务的协议SOME/IP 065
2.4.1　SOME/IP消息头格式 066
2.4.2　SOME/IP通信模式 067
2.4.3　服务发现协议SOME/IP- SD 069
2.5　基于以太网的实时通信AVB/TSN 070
2.5.1　以太网实时性需求与AVB/TSN 070
2.5.2　时钟同步 072
2.5.3　调度和流量整形 076
2.5.4　通信路径选择和容错 081
2.6　本章小结 082
思考题 082
第3章　软件架构与基础软件
3.1　汽车软件开发中面临的挑战及其解决思路 083
3.2　分布式实时控制系统架构 087
3.2.1　OSEK OS简介 087
3.2.2　OSEK COM简介 093
3.2.3　OSEK NM简介 096
3.3　面向实时控制的统一架构及AUTOSAR CP 097
3.3.1　AUTOSAR CP介绍 097
3.3.2　AUTOSAR CP的基本分层架构 098
3.3.3　AUTOSAR CP的软件组件 099
3.3.4　AUTOSAR CP应用接口 102
3.3.5　AUTOSAR VFB 103
3.3.6　运行时环境 107
3.3.7　基础软件层 110
3.3.8　AUTOSAR CP方法论 126
3.3.9　AUTOSAR OS 131
3.4　软件统一架构及自适应AUTOSAR AP 133
3.4.1　AUTOSAR AP介绍 133
3.4.2　AUTOSAR AP分层架构 136
3.4.3　AUTOSAR AP的通信 137
3.5　AUTOSAR AP的应用程序生命周期管理 143
3.5.1　状态管理、执行管理与操作系统之间的关系 143
3.5.2　应用程序的生命周期管理 145
3.5.3　整机的状态管理 149
3.6　AP功能集群概览及方法论 154
3.6.1　AP的存储管理 154
3.6.2　AP功能集群概览 154
3.6.3　AUTOSAR AP方法论 156
3.7　本章小结 158
思考题 158
第4章　面向服务的架构
4.1　SOA的概念解析 159
4.1.1　SOA的定义 159
4.1.2　SOA在汽车领域的应用背景 159
4.1.3　SOA在企业IT架构中的应用 160
4.1.4　汽车软件SOA的概念解析 165
4.1.5　汽车软件SOA架构 167
4.2　SOA在汽车中应用的基础和支撑 169
4.2.1　高性能高集成芯片 169
4.2.2　多功能异构操作系统 171
4.2.3　高带宽车载以太网 171
4.3　中间件 171
4.3.1　中间件的含义 171
4.3.2　从中间件角度看SOME/IP及其应用 172
4.3.3　中间件DDS概念及其应用前景 175
4.4　SOA设计实现 179
4.4.1　AUTOSAR AP中SOA的架构设计 179
4.4.2　PREEvision中SOA的设计 183
4.5　汽车SOA架构的市场实践 186
4.6　本章小结 188
思考题 188
第5章　软件开发流程及其OTA升级
5.1　汽车软件发展背景 189
5.1.1　汽车软件发展趋势和面临的挑战 189
5.1.2　基于模型的设计与验证 190
5.1.3　SOA架构中的开发流程 191
5.2　汽车软件开发流程 192
5.2.1　V模式开发流程 192
5.2.2　敏捷开发流程 195
5.2.3　功能安全 199
5.3　汽车软件的OTA升级 202
5.3.1　ECU基于Bootloader的升级 202
5.3.2　ECU基于OTA的升级 203
5.3.3　OTA升级的优缺点 205
5.3.4　OTA升级的发展现状 206
5.4　本章小结 207
思考题 208
后记与致谢
参考文献

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