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MCU的虚拟化解决方案平台
如何应对未来区域E/E架构的挑战?

【作者: Darren Buttle、Sam Gold】2022年06月26日 星期日

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未来汽车的C.A.S.E.趋势将会大幅推进汽车设计的改变,而传统的E/E架构将难以实现新需求。本文叙述如何藉由MCU的虚拟化解决方案平台,妥善解决未来几代汽车在创新E/E架构的挑战。


从传统汽车设计向C.A.S.E.(代表未来汽车的连接性、自主性、共享性、电气化的缩写)推进的趋势,要求汽车内的整体计算性能和通讯负荷呈指数增长。



图1 : CASE:互联、自主、共享、电动汽车
图1 : CASE:互联、自主、共享、电动汽车

为了实现C.A.S.E.,必要的计算能力和网络复杂性无法以经济合理的方式通过传统的E/E架构实现,因为分布式E/E结构需要大量的电子 控制器(ECU),相应地增加了电缆线束的复杂性和重量,增加了整体功耗,并提高了成本。



图2 : 现在和未来的E/E架构
图2 : 现在和未来的E/E架构

因此,向C.A.S.E过渡的一个关键挑战,在於如何在不增加物理ECU数量的情况下做更多的事情。解决这一挑战的关键在於由硬体支持的新软体平台。


汽车制造商开发新的、无遗留问题的区域ECU,可以从一开始就采用域/区架构。然而,在实践中有许多汽车制造商并不是从「空白」开始的,他们需要保留对ECU软体的现有投入,这意味着从他们现有的联合E/E架构(即一个ECU对应一个车辆功能)迁移到Zone架构。


区域架构的挑战

面向分区的结构将许多功能和服务整合到一个ECU中。网际网路概念必须处理相关的对频宽、确定性和最大延迟的更高要求,而与分区相关的ECU,根据其作为分区聚合器、控制器或处理器的角色,显然需要高计算性能来运行多种功能。另一方面,它们还必须确保不受并发应用程序之间的干扰,以保证功能安全和资讯安全,保持实时并支持内部网络路由加速。


大多数现代ECU将运行AUTOSAR(AUTomotive Open System ARchitecture)经典软体架构,该架构提供了基於软体组件的内建模型、时间和空间分离、大量的功能安全和资讯安全机制,以及通过软体集群机制的部分更新等。


ECU软体包括来自多方的部件,包括OEM(应用)、Tier 1(中间件和内建)、Tier 2(MCAL)和第三方(AUTOSAR BSW、操作系统、安全韧体等)。今天,将ECU与这组来自多方的部件整合在一起已经是一项重要的工程了。


由於以下原因,很难看到同样的方法如何扩展到一个区ECU:


· 谁负责整合来自多个供应商的应用程序?


· 当ECU发生故障时,谁来负责?如何保留多ECU系统的安全屏障?多个供应商如何保护IP?


· 谁来进行调试的根本原因分析?


· 当一个微小的部件发生变化时,整个ECU的重新测试工作量巨大


解决这些挑战的方法是使用hypervisor,将一个物理ECU变成多个虚拟ECU。在AUTOSAR术语中,每个虚拟ECU是一个单独的ECU(亦即有自己的EcuExtract),通过COM和虚拟网络与其他虚拟ECU进行通讯。


这种解决方案允许每个虚拟ECU像今天一样,通过保留建立ECU内建模型的松散耦合来进行内建,并提供以下优势:


· 每个虚拟机都被单独编译和链接


· 每个虚拟机都有自己的RTE。一个RTE配置的改变并不要求整个系统被重新构建。


· 每个虚拟机都有对处理器硬体的完全、虚拟化的连接。


· 对一个虚拟机的改变不一定需要对整个系统进行重新测试


· 一个虚拟机可以独立於整个系统重新启动,最大限度地减少同一ECU上其他(不相关)功能的停机时间


区域架构- 硬体解决方案:RH850 U2A/U2B

瑞萨RH850/U2x高性能微控制器产品线用於下一代区域/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)、功能安全和资讯安全,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。


瑞萨的RH850/U2A微控制器(MCU)被设计为高端车身和底盘应用的跨域平台,以满足日益增长的将多种应用内建到单个晶片的需求。基於28奈米制程技术,32位RH850/U2A MCU建立在瑞萨用於底盘控制的RH850/Px系列和用於车身控制的RH850/Fx系列的关键功能之上,以提供更好的性能。



图3 : RH850/U2A架构图
图3 : RH850/U2A架构图

瑞萨RH850/U2B系列以RH850/U2A的优势为基础,为解决未来几代汽车的创新E/E架构的挑战而定制。凭藉其新的性能水平和高达32MB的内存整合度,RH850/U2B的定位高於RH850/U2A系列,以满足未来汽车整合平台概念的更多要求,同时与系统单晶片(SoC)相比,仍然提供具有成本优势的MCU解决方案。



图4 : RH850/U2B架构图
图4 : RH850/U2B架构图

RH850/U2x MCU配备了最新的HW支持技术,以实现多个ASIL-D SW分区的内建:


· Hypervisor HW辅助功能,以高性能方式启用Hypervisor-OS(快速上下文切换,HV中断概念)。


· QoS:对所有总线主站的延迟监测和主动调节功能,通过防止一个总线主站消耗所有的频宽,确保提供最小的频宽(仅U2B支持)。


· 内存保护单元(MPU):对总线主站连接内存和其他资源进行细粒度的分离


· Guard概念:外围储存器和外围模块的高度灵活的从属保护系统


· 功能安全:多个单独的错误输出信号,以确保在SW-分区层面的单独处理


· 资讯安全:多个AES128锁步模块实例,用於无冲突和确定的安全保障通讯


· No-wait OTA:闪存库的後台操作,确保独立更新各个SW-分区


区域架构?软体解决方案:RTA-HVR

ETAS的hypervisor程序RTA-HVR为瑞萨RH850/U2x HW提供免费的软体,以满足严格的汽车功能安全和资讯安全要求。RTA-HVR使用瑞萨RH850/U2x系列的硬体虚拟化功能来创建多个虚拟机。每个虚拟机都有一个或多个虚拟CPU内核、一段内存空间和一组外设。


每个虚拟机「guest」是一个独立的可兼容和可闪存的ECU图像,可以由第三方建立和运送。RTA-HVR支持「bare metal」和AUTOSAR经典平台guests。


RTA-HVR支持灵活的虚拟机与物理CPU核分配。当一个虚拟机对一个(或多个)CPU核有唯一的连接权时,那麽虚拟机的调度开销为零。当多个虚拟机共享一个CPU核心时,可以选择以下其中之一:


· 一个静态配置的轮流调度器;或


· 一个由RH850U2x後台中断驱动的基於预约的动态调度器。


RTA-HVR使用MPU和Guard概念来提供虚拟机之间的空间隔离,为每个虚拟机划分内存和外设空间。


此外,RTA-HVR提供一种称为「虚拟设备扩展」(VDE)的机制,允许ECU集成商为特定的Zone ECU定制虚拟和物理外设之间的绑定。VDE提供了一种在虚拟机之间共享外设的安全方式(例如当需要一个外设的虚拟机数量超过硬体中的物理外设数量时)。这里的典型例子是乙太网控制器、HW安全模块和看门狗或增加额外的CAN通道,如图5所示:



图5 : VDEs还允许创建完全虚拟的外围设备,以优化虚拟机之间的通讯渠道
图5 : VDEs还允许创建完全虚拟的外围设备,以优化虚拟机之间的通讯渠道

Zone-ECU虚拟化解决方案平台概览

为了支持汽车用户的概念性Zone-ECU开发,重点是整合多种应用,ETAS和瑞萨已经实现了Zone-ECU虚拟化解决方案平台。


该平台将瑞萨的RH850/U2x硬体能力与ETAS的RTA-HVR软体相结合,一套虚拟机,每个虚拟机都使用ETAS的RTA-CAR AUTOSAR经典平台和PC托管的交互工具来承载ECU图像。



图6 : Zone-ECU虚拟化解决方案平台实验室设置
图6 : Zone-ECU虚拟化解决方案平台实验室设置

Zone-ECU虚拟化解决方案平台为RH850/U2x MCU提供一个预配置和预构建的SW,成为易於启动的开发平台,包含一个演示SW和一个基准环境,使汽车用户能够快速开始为他们的Zone-ECU项目进行设计探索。Zone-ECU虚拟化解决方案平台使用户能够从减少开发工作、成本和风险中受益。


(本文作者Darren Buttle为ETAS公司德国RTA解决方案负责人,Sam Gold为瑞萨电子欧洲汽车数位营销资深经理)


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