ETAS Deterministic Middleware Solution (EDMS，前身為AOS)確定性中間件解決方案，是一個(gè)中間件框架，旨在面向汽車領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用程序的獨(dú)特挑戰(zhàn)和需求，尤其是在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)和自動(dòng)駕駛 (AD)的背景下，為開(kāi)發(fā)人員提供了創(chuàng)建高性能和高安全性應(yīng)用程序所需的工具、運(yùn)行時(shí)環(huán)境和集成能力。

圖1 EDMS確定性中間件解決方案概覽

一

中間件在汽車系統(tǒng)中的重要性

圖2 中間件在汽車嵌入式控制和計(jì)算單元中的位置

在當(dāng)下汽車行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革，變得更加軟件驅(qū)動(dòng)和互聯(lián)化。新型車輛由眾多的電子系統(tǒng)和應(yīng)用組成，每個(gè)系統(tǒng)都有其特定的要求和功能。而中間件就提供了一種強(qiáng)大的凝聚力，允許這些不同的組件和諧的工作，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，降低了復(fù)雜度，并有助于創(chuàng)建穩(wěn)定可靠的汽車軟件。

除了實(shí)現(xiàn)不同軟件組件之間的平滑交互外，中間件還解決了安全性和實(shí)時(shí)性等關(guān)鍵因素。這些屬性在汽車領(lǐng)域內(nèi)至關(guān)重要，軟件故障的后果可能會(huì)對(duì)車輛的安全和功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

隨著汽車行業(yè)不斷接受技術(shù)進(jìn)步和軟件驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的創(chuàng)新，中間件的作用變得更加重要。它是使汽車制造商和開(kāi)發(fā)人員得以構(gòu)建復(fù)雜和互聯(lián)系統(tǒng)的基石，同時(shí)確保現(xiàn)代汽車應(yīng)具備的穩(wěn)定可靠和高性能。

二

可用于汽車領(lǐng)域應(yīng)用的中間件類型

在汽車生態(tài)系統(tǒng)中，存在著各種不同的使用場(chǎng)景和功能上的需求，而由此產(chǎn)生多種中間件解決方案也就不足為奇了。文中我們將主要涉及以下三種類型中間件解決方案：深度嵌入式中間件、多用途汽車中間件和特定域中間件。

圖3 汽車領(lǐng)域中間件調(diào)研

深度嵌入式中間件

(Deeply Embedded Middleware，例如AUTOSAR Classic)

深度嵌入式中間件為在資源受限的嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)服務(wù)。這種中間件的一個(gè)著名代表就是AUTOSAR Classic。AUSOSAR Classic被汽車行業(yè)廣泛采用，在深度嵌入式應(yīng)用程序中幾乎無(wú)處不在。

AUTOSAR Classic專注于安全性和實(shí)時(shí)性應(yīng)用。它提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)管理機(jī)制。其主要優(yōu)勢(shì)在于解決功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，同時(shí)在安全關(guān)鍵環(huán)境中實(shí)現(xiàn)ECU之間的有效通信和協(xié)調(diào)。

多用途汽車中間件

(General-Purpose Automotive Middleware，例如AUTOSAR Adaptive、Eclipse SDV)

多用途汽車中間件是為更廣泛的汽車領(lǐng)域用例而定制的，通常應(yīng)用在更高規(guī)格的片上系統(tǒng) (SoC)上。多用途中間件的典型代表包括AUTOSAR Adaptive、Eclipse SDV (軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境)和GENIVI。

AUTOSAR Adaptive是承接AUTOSAR Classic的更加靈活和可擴(kuò)展的后續(xù)產(chǎn)品，面向高性能控制器和應(yīng)用程序。它提供了廣泛的應(yīng)用程序支持，包括調(diào)度、通信、診斷和更新管理。Eclipse SDV和GENIVI也提供多用途中間件解決方案，滿足各種汽車功能，并提供與不同軟件環(huán)境的兼容性。

特定域中間件

(Domain-Specific Middleware，

例如ETAS Deterministic Middleware)

對(duì)于專用領(lǐng)域的汽車功能，如高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)和自動(dòng)駕駛 (AD)，特定域中間件就有了用武之地。這些中間件針對(duì)特定用例進(jìn)行了優(yōu)化，并提供了有針對(duì)性的功能。

例如，EDMS確定性中間件旨在滿足ADAS/AD應(yīng)用程序的需求，提供了一個(gè)具有執(zhí)行控制、通信服務(wù)和數(shù)據(jù)日志記錄的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。EDMS中間件還包括用于開(kāi)發(fā)和執(zhí)行的工具，為ADAS/AD場(chǎng)景提供了一個(gè)全面的解決方案。此外其他的特定域中間件，還有例如用于AD軟件快速原型構(gòu)建的ROS/ROS2，專注于滿足了汽車領(lǐng)域的特定需求。

三

不同域的應(yīng)用場(chǎng)景依賴于不同的中間件

汽車應(yīng)用跨越廣泛的域，每個(gè)域下都有獨(dú)特的要求和挑戰(zhàn)。而中間件解決方案就是為了有效地解決這些不同的應(yīng)用程序域同時(shí)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

對(duì)于常規(guī)的車輛功能，AUTOSAR Adaptive等中間件提供了一套全面的服務(wù)，包括通信、診斷和軟件更新。這些中間件非常適合需要靈活性并可以在高性能微處理器上運(yùn)行的應(yīng)用程序。

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，特定域中間件 (如EDMS確定性中間件) 專為滿足ADAS/AD應(yīng)用程序的獨(dú)特需求而定制。這些中間件為自動(dòng)駕駛算法的開(kāi)發(fā)和部署提供確定性執(zhí)行、通信支持和相關(guān)工具。

監(jiān)控功能，例如ADAS/AD算法的合理性分析，需要高安全性、實(shí)時(shí)性能力。AUTOSAR Classic等中間件解決方案擅長(zhǎng)提供安全關(guān)鍵服務(wù)，可以確保不同應(yīng)用程序之間安全交互。

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，多個(gè)中間件的集成也變得越來(lái)越重要，以滿足不同應(yīng)用域的不同需求。

四

EDMS及SDK工具如何加速ADAS/AD開(kāi)發(fā)

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)和自動(dòng)駕駛(AD)技術(shù)的發(fā)展，亟需一種結(jié)構(gòu)化和可迭代的方式，以確保充分驗(yàn)證和持續(xù)改進(jìn)。

AD循環(huán)是一個(gè)系統(tǒng)化的方法論，有助于逐步開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證ADAS/AD功能。它包括了五個(gè)關(guān)鍵階段——設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，部署，構(gòu)建，行駛/測(cè)量/記錄，回放和模擬。通過(guò)遵從AD循環(huán)，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的工作可以在每個(gè)階段中系統(tǒng)化的進(jìn)行，確保ADAS/AD功能得到嚴(yán)格的測(cè)試、驗(yàn)證和優(yōu)化。

圖5 EDMS確定性中間件——軟件開(kāi)發(fā)SDK工具包和AD循環(huán)

通過(guò)EDMS確定性中間件解決方案及軟件開(kāi)發(fā)工具套件 (SDK)，能夠加速AD循環(huán)的各個(gè)階段，支持無(wú)縫開(kāi)發(fā)、部署、執(zhí)行和驗(yàn)證ADAS/AD系統(tǒng)。

開(kāi)發(fā)階段：使用YAAA設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)

在AD循環(huán)的開(kāi)發(fā)階段，重點(diǎn)在于創(chuàng)建穩(wěn)定和高效的軟件架構(gòu)，使之構(gòu)成ADAS/AD系統(tǒng)的基礎(chǔ)。EDMS SDK提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具，YAML As Architecture (YAAA)，有助于設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)。

YAAA支持：

結(jié)構(gòu)化建模：YAAA允許將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為功能組件，促進(jìn)清晰的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

組件詳細(xì)信息：YAAA捕獲了功能組件、通信接口、以及部署信息等基本細(xì)節(jié)。

集成版本控制：YAAA無(wú)縫的融入了當(dāng)下基于Git的工作流程，有效的實(shí)施了架構(gòu)即代碼 (architecture-as-code)

圖6 AD循環(huán)——開(kāi)發(fā)階段

部署和構(gòu)建階段：從硬件和OS層面進(jìn)行抽象

在部署和構(gòu)建階段，重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到將軟件架構(gòu)轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼，并為后續(xù)部署做好準(zhǔn)備。EDMS SDK工具將軟件從底層硬件和操作系統(tǒng)中抽象出來(lái)，從而簡(jiǎn)化了此過(guò)程。中間件抽象層 (MWALA)確保Business Logics可以跨不同的中間件平臺(tái)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)靈活的部署。

圖7 AD循環(huán)——部署和構(gòu)建階段

行駛階段：通過(guò)EDMS中間件執(zhí)行系統(tǒng)

在真實(shí)世界場(chǎng)景中執(zhí)行ADAS/AD系統(tǒng)是AD循環(huán)的關(guān)鍵步驟。SDK工具通過(guò)與EDMS中間件無(wú)縫集成來(lái)支持該階段，以確保確定性執(zhí)行。EDMS確定性中間件中System所表述的構(gòu)想，包括Activity和Runnable，使得在行駛階段實(shí)現(xiàn)可靠和一致的行為。

圖8 AD循環(huán)——行駛階段

測(cè)量階段：記錄數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)可復(fù)現(xiàn)行為

為了確?？蓮?fù)現(xiàn)性和有效驗(yàn)證，測(cè)量階段務(wù)必記錄系統(tǒng)執(zhí)行的數(shù)據(jù)。EDMS SDK工具支持收集準(zhǔn)確且詳細(xì)的數(shù)據(jù)，捕獲執(zhí)行時(shí)間、激活間隔和數(shù)據(jù)流，這些記錄的數(shù)據(jù)對(duì)于后續(xù)的分析和驗(yàn)證都是非常寶貴的。

圖9 AD循環(huán)——測(cè)量和記錄階段

回放和模擬階段：驗(yàn)證和確認(rèn)

回放和模擬階段側(cè)重于使用記錄的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證和確認(rèn)ADAS/AD系統(tǒng)行為。RecAll工具在這一階段發(fā)揮著關(guān)鍵作用，RecAll允許對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行進(jìn)行重新計(jì)算，支持用于調(diào)試和分析的確定性回放。該階段確保系統(tǒng)能夠按預(yù)期運(yùn)行，并適用于各種場(chǎng)景。

圖10 AD循環(huán)——回放和模擬階段

五

EDMS確定性中間件的主要優(yōu)勢(shì)

通過(guò)前文對(duì)EDMS及其開(kāi)發(fā)工具的概括介紹，毫無(wú)疑問(wèn)，這種綜合全面的中間件解決方案在塑造自動(dòng)駕駛的未來(lái)方面會(huì)發(fā)揮出關(guān)鍵作用。實(shí)現(xiàn)確定性行為、處理高數(shù)據(jù)速率、滿足功能安全要求和利用確定性重新計(jì)算的優(yōu)勢(shì)共同有助于開(kāi)發(fā)安全、可靠和高效的ADAS/AD系統(tǒng)。

圖11 EDMS確定性中間件的優(yōu)勢(shì)

在基于處理器的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)確定性行為

EDMS最深刻的優(yōu)勢(shì)之一是它能夠在基于處理器的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)確定性行為。通過(guò)利用復(fù)雜的調(diào)度和通信機(jī)制，EDMS確保軟件組件的執(zhí)行遵循一種可預(yù)測(cè)和穩(wěn)定可靠的模式。這種確定性行為對(duì)于ADAS/AD等實(shí)時(shí)系統(tǒng)至關(guān)重要，其中精確時(shí)序和一致性能是首要的。

使用EDMS中間件處理高數(shù)據(jù)速率

現(xiàn)代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)生成并處理來(lái)自各種傳感器和數(shù)據(jù)源的海量數(shù)據(jù)。EDMS中間件構(gòu)建在高效的零拷貝 (zero-copy) 通信框架上，擅長(zhǎng)處理低延遲的高數(shù)據(jù)速率。這種能力對(duì)于實(shí)時(shí)決策和控制來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，使ADAS/AD系統(tǒng)能夠及時(shí)處理數(shù)據(jù)并對(duì)其做出反應(yīng)。

通過(guò)支持ASIL-D滿足功能安全要求

安全在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中至關(guān)重要，特別是在危及人類生命的環(huán)境中。EDMS的設(shè)計(jì)充分考慮了安全性，提供ASIL-D (汽車安全完整性等級(jí)) 支持。這意味著EDMS符合最高級(jí)別的功能安全要求，確保使用EDMS構(gòu)建的ADAS/AD系統(tǒng)能夠滿足汽車行業(yè)要求的嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)。

利用確定性重新計(jì)算進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證

EDMS的另一個(gè)突出特征是其確定性重新計(jì)算 (Deterministic Recompute) 功能，目前由RecAll工具負(fù)責(zé)提供。此項(xiàng)功能允許精確復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)執(zhí)行，其意義對(duì)于測(cè)試、調(diào)試和驗(yàn)證來(lái)說(shuō)都極其寶貴。工程師可以追溯并分析特定場(chǎng)景，確保系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行，并有效地識(shí)別任何潛在風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

六

EDMS確定性中間件的集成

不同中間件之間的交互需求

有關(guān)汽車嵌入式控制和計(jì)算單元的話題，通常都會(huì)涉及對(duì)多個(gè)中間件解決方案進(jìn)行融合的討論，畢竟任一中間件都迎合特定的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著車輛變得越來(lái)越復(fù)雜和互聯(lián)，這些不同的中間件需要無(wú)縫的交互和通信。例如，執(zhí)行合理性分析的監(jiān)控應(yīng)用程序可能需要與在特定域中間件上執(zhí)行的ADAS/AD算法交互。

不同中間件之間的交互可以創(chuàng)建跨功能協(xié)作，增強(qiáng)數(shù)據(jù)交換，并更好的支持依賴于多個(gè)中間件解決方案各取所長(zhǎng)的集成功能。這些交互的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制對(duì)于保證兼容性、一致性和效率十分重要。

EDMS確定性中間件的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于它能夠與各種中間件解決方案集成，包括多用途的和特定域的中間件。通過(guò)利用中間件網(wǎng)關(guān)，EDMS允許不同中間件進(jìn)行高效和標(biāo)準(zhǔn)化連接，促進(jìn)具有不同需求和語(yǔ)義的應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換和通信。

下面列舉兩個(gè)具體用例來(lái)說(shuō)明，EDMS的集成為開(kāi)發(fā)人員提供了多種可能性：

1.與同一ECU上的其他中間件無(wú)縫交互，實(shí)現(xiàn)ADAS功能的確定性執(zhí)行。

2.高效連接外部管理的數(shù)據(jù)池，例如來(lái)自硬件加速器 (HWA) 的數(shù)據(jù)，過(guò)程中無(wú)需數(shù)據(jù)復(fù)制。

1.AUTOSAR Adaptive和EDMS確定性中間件的交互

中間件集成的第一個(gè)例子展示了兩個(gè)不同中間件平臺(tái)的連接：AUTOSAR Adaptive和EDMS確定性中間件，這兩個(gè)中間件都在汽車系統(tǒng)中發(fā)揮著各自的作用，它們的集成也實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)協(xié)作和功能性。

此處創(chuàng)建了一個(gè)由用戶編寫的網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)在AUTOSAR Adaptive和EDMS之間充當(dāng)橋梁，促成兩個(gè)中間件平臺(tái)之間的通信和數(shù)據(jù)交換，允許它們各自的應(yīng)用程序和服務(wù)之間的無(wú)縫交互。

圖12 EDMS與AUTOSAR Adaptive集成

2. 通過(guò)DMC集成外部數(shù)據(jù)

有效的集成外部管理的數(shù)據(jù) (例如來(lái)自硬件加速器HWA的數(shù)據(jù)) 是一個(gè)典型的案例，而直接內(nèi)存訪問(wèn)連接 (Direct Memory Connector, DMC) 端口的引入，面向挑戰(zhàn)提出了十分便捷的處理辦法，實(shí)現(xiàn)在中間件運(yùn)行時(shí)環(huán)境中直接而安全的共享外部存儲(chǔ)。

此示例中，EDMS確定性中間件使用DMC端口來(lái)連接外部管理的數(shù)據(jù)池。這種集成方案確保了確定性中間件可以訪問(wèn)和利用來(lái)自HWA的數(shù)據(jù)，而無(wú)需進(jìn)行不必要的數(shù)據(jù)拷貝，即零拷貝 (zero-copy)，從而達(dá)到提升性能和無(wú)縫數(shù)據(jù)交換的目的。

圖13 EDMS通過(guò)共享內(nèi)存 (SHMEM)機(jī)制訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)

七

中間件集成的未來(lái)趨勢(shì)和探討

受眾多因素共同作用，汽車系統(tǒng)的中間件領(lǐng)域正在發(fā)生著重大變革：

多樣化生態(tài)系統(tǒng)：隨著汽車系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜和互連，中間件解決方案的范圍可能會(huì)擴(kuò)大，以適應(yīng)不同的應(yīng)用程序域和硬件架構(gòu)。

異構(gòu)集成：集成將涉及更廣泛的中間件解決方案，跨越安全關(guān)鍵、實(shí)時(shí)和多用途領(lǐng)域，導(dǎo)致復(fù)雜的混合架構(gòu)。

AI和機(jī)器學(xué)習(xí)：人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)組件與中間件平臺(tái)的集成將變得越來(lái)越普遍，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)感知、決策和控制功能。

邊緣計(jì)算：中間件集成將適應(yīng)邊緣計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)，其中計(jì)算任務(wù)分布在車輛網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層級(jí)，需要高效和安全的數(shù)據(jù)交換。

多中間件集成可以為汽車系統(tǒng)帶來(lái)幾個(gè)顯著的收益：

增強(qiáng)的功能：每個(gè)中間件在其特定領(lǐng)域中都有出色表現(xiàn)，特性和功能的合并能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的整體功能。

優(yōu)化的性能：通過(guò)利用特定域中間件和優(yōu)化網(wǎng)關(guān)，可以最小化性能瓶頸，從而提高系統(tǒng)性能和響應(yīng)能復(fù)用性和兼容性：集成有助于跨不同中間件平臺(tái)利用現(xiàn)有軟件資產(chǎn)庫(kù)，促進(jìn)軟件復(fù)用性和兼容性。

靈活性和定制化：多個(gè)中間件的集成提供了可以針對(duì)不同的應(yīng)用域選擇最適合中間件的靈活性，為特定需求定制化解決方案。

多中間件集成還需要考慮各種因素的權(quán)衡：

標(biāo)準(zhǔn)化與專業(yè)化：在標(biāo)準(zhǔn)化集成機(jī)制和特定域的優(yōu)化之間取得平衡，以實(shí)現(xiàn)所需的性能和功能。

數(shù)據(jù)拷貝與零拷貝：基于性能和安全考慮，來(lái)決定是采用在中間件層之間復(fù)制數(shù)據(jù)，還是采用零拷貝機(jī)制 (如通過(guò)Direct Memory Connectors)。

復(fù)雜度與可維護(hù)性：管理集成所帶來(lái)的復(fù)雜度遞增，同時(shí)要確保集成后系統(tǒng)的長(zhǎng)期維護(hù)和支持。

審核編輯：彭菁