序
Foreword

近几十年来，汽车工业与电子技术不断融合发展，孕育出了汽车产业链中的一个重要细分类别——汽车电子，并逐渐发展出两类产品方向：一类是需要与机械结构耦合工作的汽车电子控制装置，用来完成发动机、传动、底盘和车身电子控制，典型系统有燃油喷射系统、防抱死制动系统、电子控制悬架、电子动力转向等，而汽车动力系统的电动化则提升了电控系统的控制性能和集成度；另一类是为自动驾驶、驾驶辅助或车内乘员提供信息支撑的汽车电子信息装置，包括环境感知系统、导航系统、驾驶决策、人机交互、信息娱乐和车载通信系统等。智能化和电动化的赋能使得汽车电子系统架构出现了明显的分层，即下层为动力学控制层，上层为信息处理层。

在控制层面，一直以来，由关键总成部件配置单独的ECU而形成的分布式汽车电子系统架构是典型模式。但是，随着以智能电动汽车为代表的汽车功能定义的日趋复杂，传感器和控制器的数量越来越多，复杂的线束、有限的计算能力为车辆降低成本、提高可靠性和提升能效造成了阻碍，因此，软硬件功能向域控制器集中成为汽车电子电气架构新的发展趋势。

在信息层面，传统车辆驾驶时以驾驶员为车辆控制核心的驾驶模式越来越受到人的能力的制约。人对于大量信息感知和高带宽响应的限制，注意力集中度、驾驶技能和心理素质等方面的不确定性，都成为提高驾驶安全性和提升交通效率的阻碍。驾驶过程中信息量的急剧增大、传输环节增加，无疑给车辆的信息处理能力、对车辆进行运动学控制的能力以及向驾驶员反馈信息的能力提出了更高的要求。因此，以智能驾驶技术辅助甚至替换人类驾驶，已经成为技术演进的必然趋势。在电动化动力系统基础上构建的面向智能化及高度信息化的汽车电子体系中，需要具有更强大的信息处理能力和更快的数据传递通道。

在以上技术趋势的推动下，基于高性能微处理器（MPU）及片上混合芯片（SoC）构建的域控制器集中控制方式将逐步取代基于微控制单元（MCU）的多电子控制单元（ECU）分布式控制方式，并向以超强算力中央处理器为核心的中央计算架构演化，以更好地满足复杂应用场景的需求，完成车辆行进过程中自动驾驶和车路协同控制等复杂功能。

从汽车电子电气架构由分布式走向集中式的过程可以看出，汽车电子电气架构的演进从本质上来说是两个方面基因的混合：一个是来自汽车电子，或者说是汽车电子控制，其特征是分布式的实时控制；一个是来自互联网，其特征是高算力计算、高带宽网络、高容量存储和云-管-端架构。

为了适应新型架构，汽车网络技术将从LIN/CAN总线向车载以太网发展，车载以太网继承了互联网的通信技术，并针对车辆应用在底层做了适应性改造，包括为适应汽车电磁环境对其物理层的改进、为适应强实时性需求发展了时间敏感网络（TSN）技术。通信技术的改变也支撑了软件技术的发展，基于TCP/IP的SOME/IP技术等也为面向服务的软件架构奠定了通信基础。

在面向实时控制的嵌入式的时代，开放式系统及接口（OSEK）实时操作系统解决了多任务实时调度的问题，并形成了嵌入式系统底层软件的一套标准，从OSEK的基础上发展出来的Classic AUTOSAR以虚拟功能总线（VFB）作为广义的“中间件”，解决了汽车嵌入式软件架构不清晰的问题，使Classic AUTOSAR成为事实上的行业标准。而在汽车智能化、网联化的背景下，Adaptive AUTOSAR引入了服务的概念，实现了以服务请求、服务提供和服务发现为特征的更高层面的抽象，形成了面向服务（SOA）的新型中间件架构，将汽车的软件架构发展成为Adaptive AUTOSAR。

面向服务的架构被认为是能够支持未来汽车软件发展的核心技术之一，为了深入理解SOA架构作为新一代汽车电子解决方案背后的驱动因素及技术逻辑，需要深入探讨SOA的概念产生、设计流程、实现方法、行业进展等，同时关注SOA架构的可靠性、功能安全、网络安全和适应性等品质。

传统的汽车电子中，由于机、电系统之间，控制软件和硬件之间存在深度耦合，汽车电子供应商和主机厂在汽车嵌入式系统开发中采用的开发流程被总结为V模式。该模式体现出的开发理念是从系统产品的功能定义和方案设计，一直到产品完成后的集成测试/匹配/标定，“设计-实现-验证”贯穿研发过程的每一个阶段，该流程规范了开发过程中的步骤，并将规范化的开发理念凝结到相关工具链中，大大提高了汽车电子技术的规范性和可靠性。其与专门针对汽车嵌入式应用软件开发的Classic AUTOSAR体系规范，以及其他一些由非功能性需求驱动建立的架构方法，共同构成了传统汽车电子系统产品开发的方法论。

但V模式开发流程本质上是硬件和软件同步的，两者高度耦合，而且它们与被控对象也高度耦合，客观上制约了软件和数据的快速更新，该方法在功能迭代和优化上越来越难以满足智能化的需求，因此发展一种更加灵活、高效的汽车电子开发方法非常必要。敏捷开发、快速迭代等互联网式的开发手段越来越多地运用于汽车电子领域。伴随着技术架构的变革，传统的汽车电子开发方法也由软硬件同步迭代开发的V型开发模式向更具有灵活性的敏捷开发模式转变。硬件先行高配，软件通过无线网络适时更新成了新的技术趋势，空中下载（Over the Air，OTA）技术通过Tbox连接无线网络，直接实现汽车电子系统的数据、软件更新，利用该升级方式可以线上增加功能、修复系统漏洞、减小因软件故障召回的概率、提供及时的售后服务、加速针对驾驶员个性化的学习和更新。基于OTA和敏捷开发的开发范式也将为汽车电子产业链带来新的方法论和新的工具链。

本书是作者基于20余年从事汽车电子系统研发实践，对其为研究生讲授相关课程所积累讲义内容所做的最新整理、提炼与总结。书中除了丰富的技术内容外，也融入了作者对汽车电子的深刻思考和理解，相信本书会对国内汽车电子教学和汽车电子开发提供有益的帮助。

孙泽昌
2023年4月于同济大学 /V7aF5cfmsNV8rfaS0LeQvOJAzyjd9lsSvjV1mpcgA5tutp6zDVoSjvnqXGG9ltc