一文看懂第三代E／E架构

　　

　　整车电子电气架构必须要走向中央+区域集成

　　随着整车电子电气产品应用的增加，单车ECU数量激增，分布式电子电气架构由于算力分散、布线复杂、软硬件耦合深、通信带宽瓶颈等缺点而无法适应汽车智能化的进一步发展，正向中央计算迈进。

　　

　　分布式的电子电气架构难以适应智能化发展趋势

　　

　　分布式与域控制器集中式电子电气架构的优劣对比

　　汽车电子电气架构的升级主要体现在硬件架构、软件架构、通信架构三方面：

　　

　　一般芯片在参数设计时按照需求值设计并留有余量，以保证算力冗余，主要因为汽车在实际运行过程中，大部分时间仅部分芯片执行运算工作，而且并未满负荷运算，导致对于整车大部分运算处理能力处于闲置中，算力有效利用率较低。例如泊车使用的倒车影像等仅泊车等部分时段才执行运算操作。采用域控制器方式，可以在综合情况下，设计较低的总算力，仍能保证整车在工作时总算力满足设计要求。

　　

　　同等功能应用条件下域控制算力设计需求更少

　　硬件架构对算力的需求，可类比保险。 若个人想要抵御风险， 需要大量资金储备，因此大家都购买保险， 将汇集在一起的保险资金资源池来抵御个人风险，总资金量需求大大降低。分布式架构的芯片即为个人抵御风险储备，而域控制/中央计算平台即为总资金量，域控制/中央集中式显然算力设计需求会更少。另一方面现阶段传统车的智能功能并不丰富，智能车在未来功能扩展等方面预留较多升级空间，若实现同功能应用、驾驶安全条件下进行对比，域控制/中央集中显然更经济；若仅为传统车和智能车对比，智能车单车价值短期内显然为上升的。

　　传统主机厂方案采用一个功能对应一套感知-决策-执行硬件，感知数据难以交互，也无法协同执行。而实现真正意义上的高级自动驾驶，不仅需要多传感器共同感知外部环境，还需要对车内部各运行数据进行实时监控，统一综合判断，并且执行机构协同操作。域控制器/中央计算平台可对采集的数据信息统一处理，综合决策， 协同执行

　　分布式架构的感知数据无法统一决策处理，无异于盲人摸象。 例如，因单一传感器 仅可识别到局部环境， 前方车上有一只宠物狗，各局部识别能力的传感器可获取到狗、 前车、路肩等，但因为无法实时交互，从而反馈到决策-执行层后易产生误操作。而采用域控制/中央计算平台方案可实现多种信息的融合处理，综合判断结果为一辆行驶在路上的车内有一只狗，从而执行合理的操作，提高行车安全性。

　　采用分布式架构， ECU增多后线束会更长，错综复杂的线束布置会导致互相电磁干扰，故障率提升，此外也意味着更重。集中式的控制器/中央计算平台的方式可减少线束长度，减轻整车质量。

　　AutoSAR 软件架构主要分为 Classic AutoSAR 和 Adaptive AutoSAR 两类，Classic AutoSAR 较为成熟，广泛应用于传统汽车嵌入式软件中， Adaptive AutoSAR 尚处于发展初期，主要面向更复杂的域控制器/中央计算平台等。

　　Classic AutoSAR 基础软件分为四层，分别为服务层、 ECU 抽象层、微控制器抽象层和运行时环境，运行时环境使应用软件从底层软件和硬件平台相互独立。除此之外还包括复杂驱动程序，由于对复杂传感器和执行器进行操作的模块涉及严格的时序问题，这部分暂时未被标准化。

　　

　　Classic AutoSAR 体系架构

　　

　　Classic AutoSAR 架构框图

　　Adaptive AutoSAR 相较于 Classic AutoSAR 具有软实时、可在线升级、操作系统可移植等优势。Classic AutoSAR 是基于强实时性（微秒级） 的嵌入式操作系统上开发出来的软件架构， 可满足传统汽车定制化的功能需求，但受网络的延迟、干扰影响较大，无法满足强实时性。随着自动驾驶、车联网等应用的复杂化， 软实时性的软件架构系统 Adaptive AutoSAR 诞生，其主要用于域控制器/中央计算平台，相对于 Classic AutoSAR的优点：

　　为软实时系统，偶尔超时也不会造成灾难性后果；

　　更适用于多核动态操作系统的高资源环境，如 QNX；

　　软件功能可灵活在线升级。

　　

　　Adaptive AutoSAR 较 Classic AutoSAR 优势明显

　　传统汽车嵌入式软件与硬件高度耦合，为应对越来越复杂的自动驾驶应用和功能安全需要，以AutoSAR 为代表的软件架构提供接口标准化定义，模块化设计，促使软件通用性， 实现软件架构的软实时、在线升级、操作系统可移植等。

　　若未实现软硬件解耦，一般情况下增加一个应用功能则需要单独增加一套硬件装置，采集的数据信息仅一个应用功能可以利用。现阶段，自动泊车雷达和自适应巡航的摄像头、雷达采集数据不可交互，若打通整个汽车软件架构，各数据特征有效利用，实现多个应用共用一套采集信息，有效减少硬件需求数量。

　　大带宽通信架构以适应车辆日益激增的数据量和低时延要求。自动驾驶需要以更快速度采集并处理更多数据，传统汽车总线无法满足低延时、高吞吐量要求。随着汽车电子电气架构日益复杂化， 其中传感器、控制器和接口越来越多，自动驾驶也需要海量的数据用于实时分析决策，因此要求车内外通信具有高吞吐速率、低延时和多通信链路。在高吞吐速率方面， LIDAR 模块产生约 70 Mbps 的数据流量，一个摄像头产生约 40 Mbps 的数据流量， RADAR 模块产生约 0.1Mbps 的数据流量。若L2 级自动驾驶需要使用 8 个 RADAR 和 3 个摄像头，需要最大吞吐速率超过 120Mbps，而全自动驾驶对吞吐速率要求更高，传统汽车总线不能满足高速传输需求。

　　

　　传统汽车总线

　　由于智能网联汽车应用越来越复杂，大量的非结构化数据（如图片、视频等）虽然携带的信息非常丰富，但其对数据传输要求极高，传统汽车电子电气架构的 LIN/CAN 总线不能满足高速传输的需求。以太网因具备大带宽、高通量、低延迟等优势，将成为应用于汽车主干网络的主要方案。

　　

　　各域之间通过网关完成数据交换

　　线束在重量和成本方面都位列汽车零部件第三， 其中在成本方面，线束安装占人工成本的 50%。根据 Broadcom和博世调查数据显示， 达到同等性能条件下， 通过使用非屏蔽双绞线（UTP） 的以太网电缆和更小的紧凑型连接器，连接成本最多可降低 80％，线缆重量最多可减轻 30％。

　　

　　车载以太网的发展过程

　　

　　未来车载以太网应用渗透率持续增加

　　

　　域/中央集中式EEA对区控制器（ZCU）要求

　　在2022年9月20日晚，英伟达发布了全新的智能汽车芯片Thor。相比于公司去年发布的芯片Altan，Thor的AI算力提升了一倍，达到了2000TFLOPS，可同时满足自动泊车、自动驾驶、车机、仪表盘以及驾驶员监测等六重汽车算力需求。Thor芯片是为汽车中央计算架构而生的产品。英伟达对Thor芯片的愿景是用它取代目前汽车内的单独芯片，帮助车企降低生产的成本。但这种超级计算机真的适合现在的车企么？

　　由于过去汽车上控制器相互独立，软件为嵌入式，整车做最终硬件集成即可。未来随着 ECU 的减负，原先高度分散的功能集成至域控制器，主机厂必须自己掌握中央控制系统，否则就会失去对汽车产品的控制权。而把原本高度分散的控制功能逐步整合统一起来是传统车企的全新必修课，因此车企对电子电气架构的掌握是分步的、渐进式的。

　　特斯拉 Model3 开启了电子电气架构大变革，出现中央计算雏形+位置域，缩短 50%整车线束，未来目标是将整车线束降至100 米，在电子架构方面，特斯拉领先传统车企 6年以上。除特斯拉以外，目前大部分的车企的电子电气架构仍处于早期的功能域控制器阶段，即部分功能集中到了功能域控制器，但还有保留较多分布式模块，即“分布式 ECU+域控制器”的过渡方案，避免因为变革程度太大导致额外的风险及成本。

　　大部分企业规划的下一代跨域融合电子电气架构将于 2022年量产，以实现软件高度集中于域控制器，逐步减少分布式 ECU。到 2025 年部分车企落地中央计算+区域控制器的电子电气架构，从而实现软硬件的进一步集成，软件所有权逐步收归主机厂。朝着“中央计算+区域控制”的架构演进的过程可能长达 5-10 年。

　　

　　主流车企电子电气架构进化节奏不一

　　不管是域集中式还是中央EEA架构，区控制器（ZCU,Zonal ECU）都是重要的一部分，在电子电气架构中ZCU主要充当部分功能Soc、网关、交换机和智能接线盒的角色；提供并分配数据和电力，并实现车辆特定区域的功能。

　　

　　区控制器的一种设计方案

　　具体来讲：

　　支持任何类型的传感器、执行器和Display（显示器）的接口；

　　区域内，区控制器与低阶的ECU通信时，有可能会用10BaseT1s（无屏蔽双绞线以太网1）代替其他的通信方式，比如CAN、FlexRay等；因此，也会充当IP-based设备（以太网通信设备）与骨干网（车载中央计算机与区控制器级之间的以太网通信）之间的交换机角色；当然，如果区域内的通信不完全被10BaseT1s以太网替代时（有CAN、LIN等通信存在），还会充当传统设备的网关；

　　关于TSN主干网（以太网），要具备高带宽和实时通信，同时保证可靠性和fail-operational特性；

　　eSwitch/eFuse功能；

　　一级配电网络，双电源（冗余）将电力输送到区控制器；

　　二级配电网络，区控制器负责将电力继续向下输送到底层控制器，因此区控制器需要具备eFuse/高边power distribution功能；

　　区控制器会配置ASIL等级高的MCU来实现车辆区域的各种基本功能。同时保证系统功能安全。

　　车载以太网：10BaseT1s/100BaseT1/1000BaseT1；

　　I2C/I3C/CSI/DSI/I2S；

　　PCIe/GMSL/FPDLink

　　LIN/CAN/CANFD/PSI5/UART/SPI

　　ZCU除了以上基本特性外，可能也会涉及到一些变迁，比如逐步“吸收”区内其他ECU的功能。第一阶段，可能是相对通用化的ZCU，采用标准化软件模块，兼容现有ECU网络（CAN/LIN/FlaxRay）；作为数据转发设备，将区内的功能在服务层面就行抽象；第二个阶段，会以降低区内ECU数量为目的，整合其他ECU功能，并将控制I/O虚拟化。可能带来的影响：ZCU的对于计算需求增大，MCU难以满足算力需求，可能还需要增加MPU（增加纯DMIPS算力的SOC，比如Denverton甚至Xeon）来满足算力需求。

　　

　　ZCU与区内其他传感器与执行器之间的配合关系（区内架构图）

　　

　　区控制器的“扩张”和功能的集中化趋势

　　区域控制器是汽车中的节点，在汽车的一个物理区域内，为各传感器、执行器等设备提供电源分配，数据连接和I/O采集与驱动需求。MCU是区域控制器的大脑，区域控制器中的MCU一般需要具备强大的处理能力，有很丰富的通讯接口，同时具备一定功能安全和信息安全等级。下面介绍区域控制器的一些关键技术和MCU解决方案。

　　TC3xx微控制器是第2代AURIX?产品，搭载了多达六个TriCore? 1.62嵌入式内核，每个内核的时钟频率最高可达300MHz。下图是TC3xx家族中的TC39x系列MCU模块图，TC39x的算力达到了4000 DMIPS。

　　

　　TC39x Block Diagram

　　TC4xx微控制器是第3代AURIX?产品，搭载了多达六个TriCore? 1.8嵌入式内核，每个内核的时钟频率最高可达500MHz，并且集成一个PPU协处理器，可实现快速向量运算，基础神经网络算法以及其它一些复杂数学算法。PPU在未来的区域控制器中可以被应用于建模，模型预测控制以及防入侵检测等一些信息安全算法中。下图是TC4xx家族中的TC4Dx MCU的模块图，TC4Dx的算力达到了8000DMIPS+72GFlops*1。72GFlops是由PPU贡献的。

　　

　　TC4Dx Block Diagram

　　在区域控制器体系中，每个传感器和执行器都根据其位置连接到本地区域控制器，然后区域控制器执行一些数据帧格式转换，汇总数据并通过高速以太网将数据传送至中央处理单元。区域控制器一般通过控制器CAN或LIN总线和挂载在它上面的传感器和执行器通信，或者通过低速以太网或LVDS与摄像头或其他ADAS传感器进行通信。这就要求区域控制器的主控MCU有丰富的CAN和LIN的通讯接口以及高速以太网接口。在区域控制器进行数据转发的过程中，还需要考虑通信延迟的问题，在中央集中式架构中，大部分的控制和执行命令是由中央处理单元发出，有些命令（例如底盘和动力）对于延时有严格的要求，因此对于区域控制器中从高速以太网转发到CAN/LIN/低速以太网接口的延时时间也有了要求。TC3xx/TC4xx家族产品都有丰富的CAN/LIN/Ethernet通讯接口。

　　

　　TC4xx产品中更是集成专用的硬件通讯路由模块CRE (CAN Routine Engine)/DRE (Data Routine Engine)。TC4xx中的一个CAN模块中集成了4个CAN 节点，当相同模块中的CAN节点进行数据通信时，可以通过CRE直接实现CAN数据转发，无需CPU和软件介入。当不同模块中CAN节点进行数据转发或者CAN节点和以太网之间进行数据转发，则可以通过CRE+DRE的方式直接实现数据转发，也无需CPU和软件介入。

　　

　　TC4xx CRE & DRE

　　这种硬件路由引擎直接实现数据转发的方式大大减少了数据延迟，CAN到Ethernet的转发延时最少可以到15us，CAN到CAN的转发延时最少可以到5us。

　　在未来的中央集成EE架构中，通讯数据量不断增加，高速以太网逐渐成为EE架构中的主干网。而为了考虑数据通信安全和冗余，以太网环网架构逐渐成为主流，区域控制器和中央控制单元则都是以太网环网架中的节点。TC4Dx中有2路5Gbps的高速以太网接口和4路10/100Mbps接口，2路高速以太网接入以太网环网（1进1出），4路低速以太网则可以接雷达或者摄像头传感器。2路高速以太网可以通过内部集成的高速以太网桥（G-Ethernet Bridge）直接进行以太网帧转发。4路低速以太网接口之间也可以通过低速以太网桥（L-Ethernet Bridge）直接进行以太网帧转发。低速以太网接口和高速以太网接口之间也可以通过低速以太网桥+DRE+高速以太网桥直接进行以太网帧转发。这种方式大大减少以太网接口之间数据转发的延时时间。

　　

　　TC4xx Ethernet Bridge

　　TC3xx/TC4xx以太网控制器支持的AVB/TSN协议如下：

　　

　　瑞萨RH850/U2x高性能微控制器产品线用于下一代区域/内建ECU，支持丰富的嵌入式HW关键功能，这些功能是区域应用所特有的，如Hypervisor HW支持、QoS（仅U2B支持）、功能安全和信息安全，以实现无干扰。最重要的是，高性能的NoC（片上网络）结构可以确保每个单独内建的应用程序在外设和内存连接方面的实时行为。