嵌入式軟體加速今日汽車的連接性與創新

現在正是汽車產業最令人振奮的時刻。當談到今日的新型汽車時，消費者與汽車OEM業者都能適應於正在改變的產業樣貌。毫無疑問地，為了滿足消費者對於車艙內豐富多媒體體驗越來越高的期待，汽車製造商正面臨著多項挑戰。對汽車製造商來說，建立安全平台、解決內部與外部的汽車通訊連接需求是最重要的考量。此外，由於需要遵循嚴格的功能安全與資訊安全規範及需求，會使這些挑戰變得更為困難。

為了讓OEM業者成功並保持領先，有幾項趨勢特別值得重視。首先，今天，業界正朝整合式的車載體驗移轉，不再是傳統各 不相同的分散領域。此趨勢主要是受到期望汽車能提供與消費性裝置類似的行為與回應所驅動。此外，汽車的電氣化(electronification)已使整輛汽車可產生大量的資料。這些資料需要被整合、處理、並即時呈現，才能為汽車駕駛與乘客所使用，因此整合式解決方案的需求便應運而生。

最後，成本議題將變得更為重要，因為OEM業者在設計與建置車載體驗時，需要滿足大量預定的安全和品質條件。在持續研發與降低成本的同時，挑戰的因應之道在於創新。在此趨勢發展下，嵌入式系統勢必會在快速興起的汽車電子領域中扮演關鍵的角色。

橫跨不同領域的整合式車載體驗

汽車電子已歷經穩步的進展，從不需要嵌入式作業系統的簡單電子控制單元(ECU)開始，到今日需要多重作業系統的複雜多功能ECU。過去，嵌入式作業系統被視為個別的獨立單元，但由於效能與安全的理由，現在已不再如此。

作業系統已成為今日汽車中的關鍵元件，不管對汽車內部、以及路邊基礎架構、雲端或其他的汽車，它對裝置的功能安全、資訊安全以及通訊連接性都將帶來直接的影響。

通訊連接性需要在汽車內部滿足各種的實體網路通訊需求。傳統的車用網路技術，像是CAN、FlexRay與LIN，都將透過乙太網路、乙太網路音訊視訊橋接(eAVB)、汽車音訊匯流排(A²B)、以及無線解決方案等技術獲得進一步的增強。為了管理複雜性，個別網路的設計通常都是根據特定應用的需求，並利用閘道器ECU把不同的汽車領域連接在一起。

功能強大的SoC與軟體系統的結合，可讓汽車製造商考慮採用新的整合式系統架構。例如，一個共同的IVI(車用資訊娛樂系統)與駕駛資訊座艙，不僅能顯示資訊娛樂選擇，還能提供來自不同來源的汽車運轉資料，包括速度、引擎狀態、安全指標(LDWS車道偏離警示數據)等。

ECU與模組的整合

連網汽車要求ECU提供比以往更多的功能。在目前的高級房車中，大概會有超過100個ECU；未來的趨勢是從8、16位元微控制器移轉到以32位元微控制器為基礎的系統SoC，再進一步到多核心架構。隨著複雜SoC的硬體成本持續下降，以及硬體效能與功能的持續提升，此趨勢是很合理的。

隨著電子元件的數量增加，模組整合的需求便日益明顯。由於多顆新的ECU被加到汽車架構中，因而產生了一些問題。汽車線束的複雜度與重量會跟著增加。汽車中越來越多的ECU數量也會使標準化議題更受到重視。

隨著硬體平台的演進，會帶來重新設計軟體，以及可能需要重新架構系統的挑戰，才能移動或整合不同模組間的功能性。諸如汽車開放系統架構(AUTOSTAR)的業界合作計畫，已針對各種汽車軟體架構的開放標準建立取得了傑出的成果，來解決這些議題。AUTOSAR是由汽車OEM業者、電機供應商、晶片製造商、以及軟體公司等各產業的業者所共組。

連網資訊娛樂系統

新型汽車的資訊娛樂系統需與更多的功能相互運作，因此通訊連接的概念已變得更為廣泛。新式的資訊娛樂系統就像是一個駕駛艙，透過它，駕駛與乘客能夠掌控汽車中各種資料的產生與傳輸。為了收集來自各個ECU的資料，資訊娛樂系統需要與汽車網路連接，並回報其狀態。

對外部來說，則需要與智慧型裝置相連，而且越來越依賴透過Apple CarPlay、Google Android Auto與MirrorLink等應用程式與技術來實現。此外，隨著自駕車的出現，資訊娛樂系統的功能現在必須還能與其他的汽車、以及外部世界串連。因此，資訊娛樂系統的作業系統，特別是在車內主機(head-unit)裡，已成為汽車的大腦一樣。

由於預期將擁有更多的功能並執行更多的任務，由嵌入式系統構成的駕駛艙便成為其中的關鍵技術。明導國際已投入一項稱為Connected OS的概念，以支援新一代解決方案許多層面的整合與連接需求，才能大幅增強車載體驗(圖一)。

以消費性電子的腳步來推動創新

Connected OS軟體是一個模組化、基於GENIVI的Linux平台，並具備增強的電路板支援套件(SuperBSP)以及最佳化的中介軟體層(OPTstack)。此外，軟體平台可提供包括快速開機、立即啟動、以及最佳化音訊／視訊功能等關鍵技術 ─ 這些都是建構先進汽車應用所必備。

此平台的一個可能範例是，緊密整合的Connected OS架構可實現快速的系統啟動以及音訊／視訊功能，這對滿足配備備用攝影機的資訊娛樂系統需求來說，是很重要的。

此外，Connected OS還提供對eAVB、以及A²B等新興網路技術的中介軟體支援。預先整合的eAVB軟體堆疊特別有助於開發要求低延遲、即時通訊的應用程式，如ADAS所需的應用(圖二)。

此外， eAVB協定支援與視訊處理的結合，能讓基於Connected OS的系統提供後座娛樂(RSE)這類的功能。Connected OS中的eAVB堆疊是根據IEEE AVB標準所開發，並遵循AVnu Alliance。它支援的IEEE標準包括IEEE 802.1AS、802.1Qat、802.1Qav、1722.1和1733。同樣地，Connected OS對A²B軟體堆疊的支援可讓汽車製造商以更低的系統成本開發音訊網路，並提供增強的車載音訊體驗。

Connected OS是一套基於軟體的解決方案，可高度客製化，能提供汽車製造商足夠的靈活性，以為其車款以及車款的整體生命週期進行創新與擴展。

管理成本  並滿足安全與品質目標

功能安全與資訊安全一直是汽車製造商的首要任務，隨著自駕車的進展，更多無線「攻擊弱點」的出現，會帶來潛在的駭客與外部來源干擾。資訊安全必須在汽車架構的每個層面都考慮到，從硬體到嵌入式軟體，一直到應用程式與人為因素。儘可能地，軟體缺陷要降至最少，因此關鍵安全軟體的窮舉測試(exhaustive testing)策略將持續演進。

透過謹慎地分割，關鍵安全元件能夠被隔離，並能與更複雜的系統分開進行驗證，因為複雜系統的充分驗證是更困難的。明導國際已推出混合關鍵性 設備叢集(mixed-criticality instrument cluster)解決方案，讓認證過的關鍵安全性圖形指示與豐富的3D繪圖結合在單一螢幕上(圖三)。

關鍵安全繪圖是在安全的硬體區域中運作，並在獨立的關鍵安全Nucleus SafetyCert RTOS上執行，因而可確保安全，使其免於受到外部干擾與阻斷式服務的攻擊。

支援多個作業系統

Connected OS的概念不僅是涵蓋基礎的Linux作業系統而已。新的多核心架構能支援多個作業系統，並讓它們之間彼此緊密通訊。舉例來說，這些作業系統包括AUTOSAR基礎軟體(BSW)作業系統、Nucleus RTOS這類的即時作業系統、甚至鏈結至原生執行Android，或是Linux container(LXC)。

一旦採用多個作業系統，可利用Remote Processor Messaging (遠端處理器傳訊；RPMsg) 和 VirtIO等協定來實現安全的通訊，因此一個領域中產生的資訊能夠被傳送到另一個領域(圖四)。例如，電話狀態訊息，能夠在安全駕駛資訊叢集上顯示。在多核心框架上分隔區域，或利用嵌入式hypervisor，能讓安全與隔離性被妥善管理，並同時實現最佳的效能。

結論

在今日的量產汽車中，嵌入式軟體的數量與價值均持續成長，因此汽車製造商必須確保，他們採用的是能讓系統安全互動的最新技術。透過謹慎採用業界標準與開源軟體來降低開發成本，已變得比以往更為重要，而像明導國際這類的專用平台供應商正為Tier 2供應商設立新的標準，協助Tier 1與其汽車OEM業者能以最適切的技術創新達成生產時程的目標。更多訊息歡迎至網站查詢。

作者介紹

Anil Khanna是明導國際嵌入式系統部門(ESD)資深經理，負責為明導的汽車產品解決方案，包括IVI、駕駛資訊與音訊應用，制定產品行銷策略。Anil擁有超過15年的技術與產品行銷經驗，特別是在ASIC、FPGA與嵌入式系統領域。在擔任此職務之前，Anil曾負責明導RTL與高階(C到RTL)合成技術的全球市場開發。Anil擁有美國奧勒岡州波特蘭州立大學的電機與電腦工程碩士學位。

Andrew Patterson是明導國際嵌入式軟體部門(ESD)的業務開發總監，專精於汽車市場。在加入明導之前，Andrew在設計自動化市場擁有超過20年的經驗，專長於線束設計、汽車模擬模型開發、虛擬原型以及機電系統等多項技術。目前，他專注於與GENIVI業界聯盟合作，並負責明導的資訊娛樂與車載電子叢集和資通訊解決方案。Andrew擁有英國劍橋大學工程與電機科學碩士學位。