作者 |Ted 上海控安革路工作室

來源 |鑒源實驗室

01汽車電子和軟件的發展

當下汽車工業正在經歷過去幾十年未曾經歷的快速變更，伴隨著電動化、智能化、網聯化等趨勢，未來汽車必將實現高度自動駕駛，汽車電子和軟件正在深刻地影響著出行領域。

今天的汽車，正在運行著比大部分其他嵌入式系統更多的軟件代碼和邏輯，分布在汽車各個部分的電子控制單元（ECU，Electronic Control Unit），是這些軟件的承載。數量眾多，并且相互協作的ECU，通過信號交互有機地結合起來，最終實現車輛整體駕駛和控制。電子電氣架構包含了車上所有的硬件、軟件、傳感器、執行機構、電子電氣分配系統。

圖 1

資料來源：KLA，五礦證券研究所

現在行業對于智能化趨勢都形成了共識，智能化趨勢下，如何將車內網絡高效、有機、安全地組合起來，成為當下行業的一個關注重點。

智能化的發展，產生了：

（1）復雜且采集信息量日益增加的傳感器，包括用于自動駕駛的視覺信息、激光雷達/毫米波雷達/超聲雷達信息、以及大量傳統的位置、電磁、電流、電壓、溫度等信息；

（2）大量執行器的數據，包括更高精度的電池管理大數據，更復雜的電機電控數據，底盤電子的轉向剎車懸架等執行器高速信令和反饋，車身內外飾、燈光控制、門窗控制，空調舒適性控制；

（3）信息娛樂系統的大數據。

今天的智能汽車個體和群體，正在慢慢變成世界上最復雜龐大的傳感器執行器網絡之一，在這個傳感器、執行器之后，將會伴隨一個超級大腦，進行信息處理加工，軟件是這個超級大腦的核心要素。

02汽車智能化的一個趨勢是

中央計算單元為中心的分布式架構

很多汽車行業從業者都熟悉了從分布式到集中式，再到域控制器的演進過程，我們的網絡和媒體也給了很多介紹。本文要表達的是，汽車電子電氣架構最終將服務到高度智能駕駛的方向，部分車輛會構建類似人腦+中樞神經+末端神經的方向。

圖 2

目前國內外半導體廠商，都在開發設計面向智能汽車的擁有強大計算能力的車載計算中心芯片。這類芯片往往具有多核并行的CPU，有用于圖形和圖像處理的GPU，以及用于AI計算的各種加速器。

下圖是英偉達ORIN的一個框圖。

圖 3

資料來源：知乎@汽車人參考

國內芯片廠商地平線、黑芝麻、芯馳等也紛紛推出了用于智能駕駛中央計算的芯片，越來越多的Tier1和OEM開始開發此類中央計算單元。

應用這些復雜計算能力的中央計算單元，將成為未來車輛信息處理軟件的核心載體。

03高帶寬，面向服務等特性的總線網絡

是適應下一代車內通訊的方向

目前車內通訊以金屬介質導線為主，核心網絡通訊主要包括CAN總線和以太網總線。

CAN是控制器域網（Controller Area Network）的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發，并最終成為國際標準（ISO 11898）（來自百度百科）。從 1993 第一版 CAN 國際標準（ISO 11898:1993 和 ISO 11519-2）發布至今，CAN總線經受了穩定性安全性的考驗，自身也在不斷進步，在2015年引入了CAN FD（ISO 11898-1-2015），CAN FD允許通訊速率超過1Mbit/s（通常應用是2M或者5M），幀有效載荷也從8Byte限制演變成8-64Byte，較大地推動了數據交互效率。目前新一代毫米波雷達、新一代動力總成、新一代網關等，很多進行了CAN FD升級。

隨著在2020年的第17屆國際CAN大會（iCC）上，提出了CAN XL。CAN XL是一種高度可擴展的通信技術，涉及比特率和數據字段的長度，物理層仍在開發中，目標是實現高達10+Mbit/s的比特率。目前可以了解到的是幀長度支持1~2048Byte的可變長度。在必要時，可將以太網幀打包為CAN XL消息，直接或間接通過CAN XL使用IP通信技術。

車載以太網是為了滿足越來越復雜和高帶寬條件下將計算機網絡引入汽車的一個成功應用。車載以太網的概念最初是由Broadcom提出，后來OPEN（單對以太網）聯盟采納了這一標準并承擔起管理職責。OPEN推廣Broadcom的100 Mbps BroadR-Reach作為多供應商許可解決方案。100 Mbps PHY實施借鑒了1 Gbps以太網的技術，能夠在一對線纜上實現100 Mbps雙向傳輸。

車載以太網協議是一組多個不同層次上的協議簇，是一個5層的協議系統，從上到下分別是應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。5層結構對應于OSI參考模型，并且提供了各種協議框架下形成的協議簇及高層應用程序，區別于傳統以太網，車載以太網的協議架構如下：

圖 4

資料來源：知乎@Hi 峰叔

以太網網絡相對于CAN網絡的一個顯著區別是總線拓撲。

圖 5

CAN總線可以依賴一對雙絞線，實現多個ECU節點直接通訊，僅僅在跨越子網的時候，需要網關轉發或者過濾。實施成本較低。

以太網在一般情況下都需要依賴一個交換機（Switch），實現網絡內ECU節點的信息交換。

車載總線網絡在過去幾年的快速迭代，開始為高等級自動駕駛做好準備。

04信息安全是新一代電子電氣架構下

通訊安全的保障

如本文前面章節所述，大數據量和高帶寬支撐下的高等級自動駕駛車輛，技術高速迭代的同時，信息安全的保障是非常必須的。

目前在車載網絡信息安全中，廣泛研究和工程應用的包括如下一些：

（1）車載網絡安全通訊

包括使用Secoc，TLS，IPSec等框架下的安全ECU間網絡通訊。

（2）車輛軟件和數據安全加密和簽名

使用非對稱加密算法為核心的PKI基礎設施、軟件簽名。進行軟件OTA安全管理。

（3）車載內嵌安全HSM研究

針對ECU內部計算單元的硬件安全加密模塊，及對應的算法和軟件驅動等管理。

（4）IDPS入侵檢測及防護

IDPS提供監視系統是否存在惡意活動的軟件應用程序或設備，根據OEM的能力，IDPS可以分為兩部分：IDS與IPS。IDS的重點僅在發現此類活動時發出警報。IPS則嘗試防止檢測到的某些入侵。

信息安全是車輛全生命周期安全的一個重要保障，越高等級的自動駕駛，越需要信息安全的保障。

審核編輯：湯梓紅