CN113253710B - 一种区块网关电控单元的控制软件实现架构 - Google Patents

一种区块网关电控单元的控制软件实现架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种区块网关电控单元的控制软件实现架构，采用面向服务的软件架构，实现区块网关电控单元的软件控制；面向服务的软件架构包括：可硬件编程的计算平台层、实时操作系统内核层、服务及通讯中间件层、标准化服务层和可编排业务层。服务及通讯中间件层，串联实时操作系统内核层和标准化服务层。可编排业务层，将车身业务逻辑进行抽象和封装，设计业务层服务组件，为应用程序提供基础，分开构建动态加载应用程序和驻留部分应用程序，以此随时动态加载和删除应用程序。本发明采用面向服务的分层微服务软件架构，以动态加载和删除微服务组件的方式更改产品的功能和应用需求，实现服务组件的软硬分离。

Description

一种区块网关电控单元的控制软件实现架构
技术领域
本发明属于汽车电子软件领域，尤其涉及一种区块网关电控单元的控制软件实现架构。
背景技术
随着汽车智能化、网联化、共享化的趋势，终端用户对车辆功能的预期也悄然发生着改变，汽车在实现高等级自动驾驶/辅助驾驶功能的同时，也更趋向于提升用户体验，例如，满足快速的功能更新和升级，提供个性化、人性化、差异化的功能与服务等。要实现更多的功能，则需要额外的增加传感器、执行器及电子电气控制单元ECU，进而使得汽车电子电气架构变得非常复杂和臃肿，导致了目前主流“domain”架构的网络线束通常发展为车辆中的第3重且昂贵的部件，最大重量为50kg，总长度可达5km。而数量庞大的传感器、执行器以及电子电气控制单元ECU的接入，使得本来就有限的网络带宽变得不堪重负，同时也迫使汽车电子软件的重心不得不偏移到如何在有限的网络带宽下提高数据传输效率以及解决数据延迟等问题，这样使得汽车电子软件逻辑复杂、开发难度大、不便移植和维护。因此基于“domain”架构的汽车电子电气系统需要迫切改变。
现在的汽车，大量的功能需要多个控制器ECU之间的协调工作来实现，使得当前“domain”架构下控制器ECU之间基于信号点对点通讯（Signal-Oriented）将会变得异常复杂，且不具备灵活性和扩展性，微小的功能改动都会引起整车通讯矩阵的改动，可见，当前面向信号的传统软件架构方法已经不适合生产发展需要。
随着自动驾驶的发展使得汽车以太网技术得到了进一步发展，为新一代汽车电子电气架构“zonal”提供了技术保证。
“Zonal”架构允许汽车EE架构进行更彻底的改变，来减少线束长度，重量，成本和复杂性；同时由于汽车以太网TSN协议以及随之而来的基于IP的端到端实时通信的引入，车辆中的线束将完全改变。“zonal”架构以车载以太网为骨干串联数个ECU在局部区域中形成一个或几个百兆局域网，再加上对TSN的支持，困扰汽车电子软件的通讯带宽问题和数据延迟问题迎刃而解，从而为可以实现面向服务的软件架构方法（SOA）提供了硬件保证。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种区块网关电控单元的控制软件实现架构，针对下一代汽车电子电气架构zonal，实现面向服务的软件架构，采用分层微服务的架构，解决现有面向信号的传统软件架构中的诸多弊端，包括面向信号的点对点通讯复杂，灵活性和扩展性差，以及通讯数据带宽和延时等问题。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种区块网关电控单元的控制软件实现架构，采用面向服务的软件架构，实现区块网关电控单元的软件控制；
包括：可硬件编程的计算平台层、实时操作系统内核层、服务及通讯中间件层、标准化服务层、可编排业务层；
可硬件编程的计算平台层，集成实现硬件平台初始化及驱动的代码，将代码进一步封装形成标准的可访问接口供上层操作系统调用；
实时操作系统内核层，位于可硬件编程的计算平台层之上，包括不同的操作系统；
服务及通讯中间件层，串联实时操作系统内核层和标准化服务层，对下屏蔽各类操作系统内核的差异，对上提供统一的服务开发框架；
标准化服务层，把车身功能抽象为各种面向对象的微服务，并进一步把这些微服务分类分层，为上层应用提供统一的开发工具包；
可编排业务层，将车身业务逻辑进行抽象和封装，设计业务层服务组件，为应用程序提供基础，分开构建动态加载应用程序和驻留部分应用程序，以此随时动态加载和删除应用程序。
进一步地，服务及通讯中间件层上的服务开发框架，包含：服务管理、网络管理、通信管理、升级管理、诊断、日志、状态。
进一步地，实时操作系统内核层上的操作系统，包括：Safety RTOS、RT-Linux、QNX、Linux、Verilog、VHDL。
进一步地，标准化服务层包括三个子层，服务适配层、原子服务层、逻辑服务层。
进一步地，驻留部分应用程序包含预置服务集群，每个服务集群由多个功能单一的微服务组成；驻留部分通过车载以太网远程升级来增加或删除一些微服务。
进一步地，微服务分为禁止态和使能态，只有被设置处于使能态的微服务才能在微服务管理程序初始化时添加到管理列表中。
进一步地，系统运行时，微服务管理程序从云端或本地模块动态加载应用程序至指定区域。
进一步地，动态加载应用程序和微服务，均包括特征参数区和指令区，特征参数区包括：名字、功能描述、所属模块ID、微服务ID、运行堆栈大小、优先级、内存保护。
进一步地，对于已加载的动态加载应用程序，配置内存保护参数，仅允许同一模块中动态加载应用程序访问模块的数据内存区。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明采用面向服务的分层微服务软件架构，以动态加载和删除微服务组件的方式更改产品的功能和应用需求，良好的解决了传统架构中因个别功能增减/变更而导致整个通讯矩阵与路由矩阵都要变更的问题。本发明接口标准可访问，服务组件的部署不再依赖于具体特定的操作系统和编程语言，实现服务组件的“软硬分离”。
附图说明
图1是 “zonal”架构的电子电气框图；
图2是 本发明的软件架构原理图；
图3是 本发明业务层微服务组件动态加载示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，汽车EE架构，“Zonal”架构以具有高带宽的汽车以太网TSN为主干网，串联起分布在车身不同部位的多个区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU），汽车上的传感器和执行器则连接到区块网关电控单元上，部署到车身不同位置的区块网关电控单元所连接的传感器和执行器的种类和数量则不尽相同。
区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU）是整个架构的核心，部署在车身不同位置，采用相同的硬件设计，相似的对外接口，它们之间采用车载以太网TSN技术传输数据，在各自的局域网内，传统的CAN、LIN等通讯方式将会继续存在，唯一不同的是通讯接口的数量、种类以及通讯接口线序。
因此，可以通过对区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU）上的FPGA进行编程，修改配置文件等软件及部署手段，快速提供一个与安装位置无关，与车型无关的硬件平台。因此，软件组件必须具备复用性（reusable）、自主性（autonomous）以及组合扩展性（composable）等特点，同时能通过动态添加和删除服务组件来定义或者改变产品功能和应用需求。
如图2所示，本发明所述的区块网关电控单元的控制软件实现架构，采用面向服务的软件架构，采用分层微服务的架构方法来实现，包括：可硬件编程的计算平台层、实时操作系统内核层、服务及通讯中间件层、标准化服务层、可编排业务层。整个软件架构分成五层，依托于车载以太网TSN，通过服务及通讯中间件层良好的接口及通讯协议串联起实时操作系统内核层和标准化服务层，在不同的应用场景中，可以动态加载职责单一的多个微服务App来实现软件、硬件、车型平台的相互解耦。
下面结合框图分层步说明本发明的具体实施方法。
可硬件编程的计算平台层，HW层，为底层，集成实现硬件平台初始化及驱动相关的代码。不同的处理器核架构不同，所属的外设不同，所以它们的初始代码和驱动代码各不相同。在32位的Realtime Core MCU上主要实现CSL、HAL和MCAL等。在64位的PerformanceCore MPU上主要实现CSL、LLD、BSP等。在FPGA上除了实现CSL、LLD、BSP等，还有FPGA实现硬件功能的代码等。因此可以通过对区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU）上的FPGA编程，修改配置文件等软件编程及部署手段，快速提供一个与安装位置无关，与车型无关的硬件平台。
把底层针对硬件操作的CSL、HAL、MCAL、LLD、BSP等代码进一步封装成跟操作系统匹配的驱动接口（Drivres Api），同时进行虚拟化处理，形成标准的可访问和易于扩展的接口供上层操作系统调用。
实时操作系统内核层，System OS 层，位于可硬件编程的计算平台层之上，包括移植的不同的操作系统。由于车辆的复杂性以及对实时性的要求，没法用一个操作系统来统一所有的应用场景，因此不同架构的处理器上移植了不同的操作系统。在 Realtime coreMCU上运行的是嵌入式微型操作系统，如Safety RTOS。在Performance Core MPU上运行的RT-Linux或者QNX。在FPGA上运行Linux、QNX、Verilog或者VHDL。尽管不同架构的处理器上移植的操作系统各不相同，但只要能满足实时性的要求，能够保证系统的性能和稳定性就行。
服务及通讯中间件层，Middleware层，其本质上是一个操作系统中间件。其最核心的作用是提供一个统一的计算和通信框架。对下屏蔽底层的通讯、交互、连接等复杂又通用化的功能以及各类操作系统内核的差异，对上提供统一的服务开发框架。
服务开发框架（Service runtime），主要包含服务管理（Service Management）、网络管理（Network Management）、通信管理（Communication Management）、升级管理（UpdateManagement）、诊断（Diagnosis）、日志（Log）、状态（Status）等。
标准化服务层，Service层，结合区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU）把车身功能抽象为各种面向对象的微服务（SOA），并进一步把这些微服务分类分层，为上层应用提供统一接口、统一标准的开发工具包（SDK）。
标准化服务层又分为三个子层：最底层是服务适配层（Service Adapters），运行在区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU）上，对局域网的传感器（Sensor）、执行器（Actuator）等功能进行抽象化处理，面向具体的信号和控制进行适配；中间层是原子服务层（Atomic Service），向下对接服务适配层，为从硬件抽象出来的一些基本微服务，比如传感器数据采集、电机控制、门窗车灯控制等，都是一些职责单一、粒度很小服务操作；最上层为逻辑服务层（Logic Control），也称为组合服务层，此层中的微服务执行时，需要进行一定的判断逻辑。比如打开车门、调整座椅等，并不是在任何状态下都无条件执行，需要判断很多条件。
可编排业务层，Business层，以业务为中心，从整车业务逻辑和用例出发分析得到系统功能需求，对业务逻辑进行抽象和封装，从业务角度设计业务层（Business）的服务组件，遵循服务组件的复用性、自主性以及组合扩展性等原则，充分发挥面向对象微服务设计理念。这是本发明和传统汽车软件的最大不同之处。本发明面向对象微服务设计架构（SOA）方法良好的解决了传统架构中因个别功能增减/变更而导致整个通讯矩阵与路由矩阵都要变更的问题。进一步，由于其接口标准可访问的特性，服务组件的部署不再依赖于具体特定的操作系统和编程语言，在很大程度上实现了服务组件的“软硬分离”。
此层为应用程序提供基础架构，以动态加载（Dynamic App）方式与应用程序的驻留部分（Resident service）分开构建，这样就可以根据应用场景和产品需求，随时动态加载和删除应用程序。
驻留部分（Resident service）包含预置服务集群，如自动驾驶服务集群（Autonomous driving service），车辆控制服务集群（Vehicle control service）等，每个服务集群由多个功能单一的微服务（App）组成。驻留部分（Resident service）的代码可通过车载以太网远程升级，来增加或删除一些微服务。
微服务统一由微服务管理程序（App Manager）管理和调度，当系统启动时，微服务管理程序读取驻留部分的配置参数，然后根据配置参数来设置这些微服务的状态，并初始化微服务管理程序的管理列表。初始化完成后，由微服务管理程序调度运行管理列表中的微服务。
微服务的状态分为两种：禁止态（Disable）、使能态（Enable）；只有被设置处于使能态（Enable）的微服务才能在微服务管理程序初始化时添加到管理列表中。
预置服务集群中的微服务App都有特征参数区和指令区（Code），参数区存放着微服务的名字（name）、功能描述（Describe）、所属模块ID（Module ID）、微服务ID（App ID）、运行时需要的堆栈大小（Stack size）、以及微服务优先级（Priority）、内存保护（MemProtect）等数据。微服务管理程序（App Manager）初始化管理列表时根据这些微服务的特征参数为其准备运行环境，例如，根据堆栈大小（Stack size）为其分配内存空间，根据优先级（Priority）为其设置优先级参数。
如图3所示，系统启动时，微服务管理程序读取模块（Module）配置参数，然后根据配置初始化管理列表，只有在系统运行时，才从模块（Module）动态加载应用程序，为应用程序App准备运行环境。
模块（Module）中的动态加载应用程序App跟驻留部分微服务App一样，都有特征参数区和指令区。不同是，模块中的动态加载应用程序App只能加载到指定区域（ApplicationCode区域），可以同时加载的模块（Module）数量以及模块中的动态加载应用程序（DynamicApp）数量没有限制，至于具体的数量取决于指定区域（Application Code区域）的大小。动态加载应用程序可以来自本地存储器，也可以来自网络或者云端，它们被加载到指定区域（Application Code区域）后都分配有私有的存储区域，每个动态加载应用程序指令区可以就地执行，也可以复制到RAM中执行。
对于已加载的动态加载应用程序（Dynamic App），特征参数区内存保护（MemProtect）参数可选，当指定内存保护后，将配置处理器的内存管理参数，以便仅允许同一模块（Module）中所有Dynamic App访问模块的数据内存区。任何非法的内存访问都将导致内存故障，并且有问题的Dynamic App将被终止。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明采用面向服务的分层微服务软件架构，以动态加载和删除微服务组件的方式更改产品的功能和应用需求，良好的解决了传统架构中因个别功能增减/变更而导致整个通讯矩阵与路由矩阵都要变更的问题。本发明接口标准可访问，服务组件的部署不再依赖于具体特定的操作系统和编程语言，实现服务组件的“软硬分离”。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种区块网关电控单元的控制软件实现系统，其特征在于，采用面向服务的软件架构，包括：可硬件编程的计算平台层、实时操作系统内核层、服务及通讯中间件层、标准化服务层、可编排业务层；
可硬件编程的计算平台层，集成实现硬件平台初始化及驱动的代码，将代码进一步封装形成标准的可访问接口供上层操作系统调用；
实时操作系统内核层，位于可硬件编程的计算平台层之上，包括不同的操作系统；
服务及通讯中间件层，串联实时操作系统内核层和标准化服务层，对下屏蔽各类操作系统内核的差异，对上提供统一的服务开发框架；
标准化服务层，把车身功能抽象为各种面向对象的微服务，并进一步把这些微服务分类分层，为上层应用提供统一的开发工具包；
可编排业务层，将车身业务逻辑进行抽象和封装，设计业务层服务组件，为应用程序提供基础，分开构建动态加载应用程序和驻留部分应用程序，以此随时动态加载和删除应用程序。
2.根据权利要求1所述的区块网关电控单元的控制软件实现系统，其特征在于，
服务及通讯中间件层上的服务开发框架，包含：服务管理、网络管理、通信管理、升级管理、诊断、日志、状态。
3.根据权利要求1所述的区块网关电控单元的控制软件实现系统，其特征在于，
实时操作系统内核层上的操作系统，包括：Safety RTOS、RT-Linux、QNX、Linux、Verilog、VHDL。
4.根据权利要求1所述的区块网关电控单元的控制软件实现系统，其特征在于，
标准化服务层包括三个子层，服务适配层、原子服务层、逻辑服务层。
5.根据权利要求1所述的区块网关电控单元的控制软件实现系统，其特征在于，
驻留部分应用程序包含预置服务集群，每个服务集群由多个功能单一的微服务组成；驻留部分通过车载以太网远程升级来增加或删除一些微服务。
6.根据权利要求5所述的区块网关电控单元的控制软件实现系统，其特征在于，
微服务分为禁止态和使能态，只有被设置处于使能态的微服务才能在微服务管理程序初始化时添加到管理列表中。
7.根据权利要求6所述的区块网关电控单元的控制软件实现系统，其特征在于，
系统运行时，微服务管理程序从云端或本地模块动态加载应用程序至指定区域。
8.根据权利要求7所述的区块网关电控单元的控制软件实现系统，其特征在于，
动态加载应用程序和微服务，均包括特征参数区和指令区，特征参数区包括：名字、功能描述、所属模块ID、微服务ID、运行堆栈大小、优先级、内存保护。
9.根据权利要求8所述的区块网关电控单元的控制软件实现系统，其特征在于，
对于已加载的动态加载应用程序，配置内存保护参数，仅允许同一模块中动态加载应用程序访问模块的数据内存区。
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