1.引言

Classic AUTOSAR是經(jīng)過驗證并在全球廣泛應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，過去二十年來一直是車載軟件開發(fā)的重要基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)從針對特定微控制器的標(biāo)準(zhǔn)化嵌入式軟件組件的理念發(fā)展而來，目前幾乎100％的車輛都采用了該標(biāo)準(zhǔn)。Classic AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)涵蓋廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，從控制簡單的車內(nèi)溫度傳感器到對安全至關(guān)重要的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，再到具有實時處理功能的復(fù)雜駕駛員輔助軟件，是汽車中間件的首選。

隨著軟件定義汽車 (SDV) 概念的興起，汽車軟件的開發(fā)方式正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。從以往依賴嵌入式開發(fā)和V模型的傳統(tǒng)流程，逐步邁向持續(xù)集成、持續(xù)部署、持續(xù)測試 (CI/CD/CT) 以及更加靈活高效的敏捷開發(fā)方式。在整個生命周期中，現(xiàn)代汽車需要不斷接收軟件更新、新功能、錯誤修復(fù)和安全補(bǔ)丁。所有這些都需要經(jīng)過測試，才能最終推廣到車隊。與此同時，現(xiàn)代數(shù)字化車輛所需的軟件數(shù)量不斷增長，而所有軟件的開發(fā)都必須在預(yù)算范圍內(nèi)按時完成。

“左移”理念[1]描述了這一變革趨勢——將大量測試環(huán)節(jié)向軟件在環(huán) (SiL) 測試遷移，以減少對復(fù)雜、昂貴且資源有限的硬件在環(huán) (HiL) 測試的依賴。通過虛擬方式完成數(shù)百萬公里的測試（而非使用昂貴的測試車隊），并在開發(fā)早期發(fā)現(xiàn)車載軟件問題，能夠顯著縮短產(chǎn)品上市時間并大幅降低開發(fā)成本。

“左移”解決了汽車軟件面臨的主要挑戰(zhàn)：

軟件數(shù)量和復(fù)雜性不斷增加

軟件開發(fā)高度依賴硬件

多供應(yīng)商協(xié)同開發(fā)的需求

ECU虛擬化和軟件在環(huán)測試正在成為汽車行業(yè)掌握車載軟件的關(guān)鍵能力。汽車制造商對整個供應(yīng)鏈日益增長的需求印證了這一趨勢，供應(yīng)商在交付真實ECU的同時提供虛擬ECU已成為新常態(tài)，且該趨勢正在向更深層次發(fā)展。全新的電子/電氣架構(gòu)開發(fā)早在硬件或芯片可用之前就已啟動，利用即將推出的芯片組和架構(gòu)的完全虛擬化模型，最終實現(xiàn)硬件與軟件的解耦，以充分利用軟件定義汽車的優(yōu)勢。

Elektrobit是AUTOSAR軟件的領(lǐng)先供應(yīng)商，與Molex（汽車行業(yè)公認(rèn)的應(yīng)用、軟件和硬件供應(yīng)商）和 Synopsys（仿真工具的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者）共同開發(fā)了完全虛擬化的軟件開發(fā)和測試工作流程。 將“左移”理念應(yīng)用于Molex商業(yè)無線充電軟件平臺可加快開發(fā)時間，提高測試代碼覆蓋率，并顯著提升開發(fā)人員的體驗。

Molex無線充電平臺

Molex開發(fā)并生產(chǎn)了一款車載手機(jī)互聯(lián)應(yīng)用平臺，包括無線充電、NFC通信和以及手機(jī)與車載天線的耦合功能。 該平臺支持CAN FD、診斷和電源管理器等汽車接口，可根據(jù)汽車制造商的特定需求進(jìn)行定制。

Molex平臺符合Classic AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)，使用Elektrobit的EB tresos AutoCore作為底層汽車中間件。 在Classic AUTOSAR術(shù)語中，Molex平臺被稱為軟件組件 (SWC)，而EB tresos AutoCore則是基礎(chǔ)軟件 (BSW)，二者共同構(gòu)成運行在手機(jī)互聯(lián)ECU中央處理器上的固件包。

圖1.無線充電ECU的軟件架構(gòu)

Elektrobit “EB tresos AutoCore” 中間件

EB tresos AutoCore Generic (ACG) 是EB tresos系列產(chǎn)品之一。EB tresos產(chǎn)品系列為ECU開發(fā)提供高效、可擴(kuò)展且符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)和OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。EB tresos包含ECU基礎(chǔ)軟件 (BSW)、單核/多核操作系統(tǒng)、功能安全和信息安全解決方案以及配置工具。

Elektrobit提供的ACG基于兼容AUTOSAR分層架構(gòu)，且包含與硬件無關(guān)的基礎(chǔ)軟件模塊和運行時環(huán)境 (RTE)。ACG與包含MCAL和操作系統(tǒng)等硬件專用模塊的板級支持包 (BSP) 相結(jié)合，構(gòu)成了實時ECU基礎(chǔ)軟件的完整解決方案。

Synopsys Silver

Synopsys Silver是一個虛擬ECU平臺，使開發(fā)人員能在個人電腦上完成ECU軟件測試等開發(fā)任務(wù)，而以前這需要測試平臺或測試車輛才能進(jìn)行 [2]。在Silver仿真環(huán)境中運行的虛擬ECU是針對主機(jī)電腦編譯的，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高效且易用的開發(fā)與調(diào)試。該平臺兼容MATLAB/Simulink等常用仿真工具及標(biāo)準(zhǔn)，并提供汽車網(wǎng)絡(luò)仿真層。為了實現(xiàn)基于AUTOSAR的軟件架構(gòu)的無縫切換，Silver還集成了豐富的AUTOSAR MCAL及AUTOSAR實時操作系統(tǒng)仿真環(huán)境。

2.Molex ECU平臺

Molex正在將無線充電平臺引入其他芯片組。盡管AUTOSAR在設(shè)計上遵循硬件無關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但在實際項目中仍存在部分硬件依賴性。比如特定芯片組的硬件特定功能需要用到復(fù)雜的設(shè)備驅(qū)動 (CDD)，操作系統(tǒng)里也可能包含一些硬件相關(guān)的功能。因此，遷移會影響整個軟件棧，包括Molex應(yīng)用程序以及Elektrobit的底層汽車中間件 (Classic AUTOSAR)。

Molex在此遷移項目中面臨五大挑戰(zhàn)：

尚無可用硬件

硬件測試裝置昂貴且不可擴(kuò)展

基礎(chǔ)軟件配置難以測試

測試覆蓋范圍有限

測試速度僅限于實時

尚無可用硬件

硬件可用性方面存在多重限制因素，一種是微控制器本身不可用，另一種是包括外設(shè)在內(nèi)的ECU電子設(shè)備不可用。二者都可能成為開發(fā)項目的限制因素。新設(shè)計通常采用最新一代芯片來實現(xiàn)最新功能，并盡可能延長集成電路的可用時間。最初這些組件僅作為工程樣品提供，且數(shù)量非常有限。ECU的電子板本身也需要經(jīng)歷開發(fā)過程，包括原型硬件和不同樣品階段，在整個開發(fā)過程中生產(chǎn)的數(shù)量同樣非常有限。

在本項目中，Molex平臺將改用新一代微控制器。可用的評估板數(shù)量有限。新ECU的電子設(shè)計進(jìn)度更為滯后，因為它仍處于硬件設(shè)計階段。硬件可用性顯然是這一平臺遷移項目的瓶頸。

硬件測試裝置昂貴且不可擴(kuò)展

專用實驗室測試裝置需要昂貴的硬件和軟件組件，如邏輯分析儀、調(diào)試器、可控電源等。這些測試臺需要專門設(shè)置和維護(hù)，而且由于其原型特性，容易出錯。通常這些設(shè)備僅在特定地理位置提供，且數(shù)量極為有限。并不是每位開發(fā)人員都能使用這些測試平臺，或者需要提前很長時間預(yù)約才能使用該設(shè)備。當(dāng)與合作伙伴共同開展項目時，這一可擴(kuò)展性問題會變得更加嚴(yán)重，因為測試裝置涉及需要在不同公司之間共享的A、B 或C樣品。

基礎(chǔ)軟件配置難以測試

該項目的基礎(chǔ)軟件配置使用了4萬多個參數(shù)，運行環(huán)境承載了38個互聯(lián)的軟件組件，這些組件還與其他ECU上運行的組件進(jìn)行通信。這導(dǎo)致平臺團(tuán)隊需要投入大量精力來維護(hù)汽車制造商規(guī)格和變體的基礎(chǔ)軟件配置。因此，團(tuán)隊經(jīng)常會遇到因配置參數(shù)設(shè)置錯誤、任務(wù)優(yōu)先級問題或啟動和集成代碼問題而導(dǎo)致的問題。由于目前沒有支持基礎(chǔ)軟件 (BSW) 與應(yīng)用層軟件 (SWC) 獨立測試的配置，因此很難重現(xiàn)錯誤條件，且無法測試基礎(chǔ)軟件所有必要的內(nèi)部狀態(tài)。

測試覆蓋范圍有限

由于軟件測試采用以硬件為中心的方法，且測試裝置的可用性有限，因此在每次分支集成時只能執(zhí)行較低比例的測試。 在這種情況下，回歸錯誤可能無法被發(fā)現(xiàn)，而驗證團(tuán)隊往往要到流程后期的主線完整測試運行時才能檢測到這些問題。開發(fā)團(tuán)隊希望更早地獲得反饋，并在分支合并回主分支之前運行更高比例的測試。

圖2. 平臺軟件開發(fā)人員的測試裝置

Molex平臺開發(fā)團(tuán)隊的目標(biāo)是將這些由變更引起的回歸減少到接近零，使每個開發(fā)人員始終能夠自行運行完整的測試套件，從而在開發(fā)過程中節(jié)省大量成本和時間。

測試速度僅限于實時

硬件裝置上的測試必須實時運行；通常需要在多個裝置上通宵運行，才能在第二天早上獲得測試結(jié)果。然而，隨著測試用例數(shù)量不斷增加，有時甚至一個晚上也無法完成一輪完整的測試。這就形成了一個盲區(qū)——即在測試結(jié)果尚未出爐時，新的軟件開發(fā)工作卻已展開。

Molex與Elektrobit和Synopsys共同啟動了ECU虛擬化項目，以支持其無線充電平臺向新芯片組的遷移，應(yīng)對傳統(tǒng)開發(fā)流程的挑戰(zhàn)，并充分發(fā)揮虛擬化的核心價值優(yōu)勢。

3.Classic AUTOSAR的ECU虛擬化原理

虛擬ECU是ECU的模型，可以用來在仿真環(huán)境中測試其軟件。虛擬ECU的優(yōu)勢在于其易于設(shè)置、可擴(kuò)展性強(qiáng)，并可在故障注入場景中提供開箱即用的支持。虛擬ECU是軟件在環(huán)測試工作流程的基礎(chǔ)。根據(jù)虛擬ECU所需的保真度和測試覆蓋范圍，用戶可以選擇四種不同的虛擬化級別，如圖3所示。

圖3. ECU虛擬化級別

本案例研究采用三級虛擬化技術(shù)[3]，基于Synopsys Silver虛擬ECU平臺實現(xiàn)。該平臺采用主機(jī)編譯方式，將軟件編譯為能在仿真環(huán)境中本地運行的程序，極大降低了運行時資源消耗，從而提高了執(zhí)行效率。三級虛擬化涵蓋了與硬件無關(guān)的基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用程序的正式代碼。根據(jù)測試需要，微控制器抽象層、復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)等硬件專用模塊將被仿真等效模塊或或樁模塊替代。應(yīng)用程序組件則由測試樁替代。

三級ECU虛擬化特別適用于加速基礎(chǔ)軟件中硬件無關(guān)功能的測試周期，例如診斷通信、基于信號的CAN通信和模式管理。

4. 在Molex平臺項目中部署虛擬ECU

由于AUTOSAR基礎(chǔ)軟件采用分層架構(gòu)，除MCAL和操作系統(tǒng)外的所有模塊都與硬件無關(guān)，無需任何改動即可在虛擬ECU中重復(fù)使用。工作流程包括以下部分：

虛擬化基礎(chǔ)軟件棧

應(yīng)用程序與復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動的樁模塊化

創(chuàng)建虛擬ECU構(gòu)建環(huán)境

基礎(chǔ)軟件虛擬化流程如圖4所示。無線充電ECU的起點是目標(biāo)硬件（即32位微控制器）的配置項目。集成商使用EB tresos Studio為其配置和生成代碼。為了支持虛擬ECU，需額外安裝一個板級支持包（含適用于Synopsys Silver的MCAL與操作系統(tǒng)插件，如紫色框所示）?，F(xiàn)在，用戶可以將配置項目遷移到Synopsys Silver，形成圖右側(cè)所示的項目設(shè)置。

圖4. 基礎(chǔ)軟件虛擬化工作流程

如圖5所示，EB tresos Studio的項目資源管理器中現(xiàn)在顯示兩個ECU配置項目可用。 第一個項目（tresos-project-nextgen）包含微控制器的目標(biāo)項目，而tresos-pro-ject-nextgen-vecu則包含通過遷移步驟從前者衍生而來的虛擬項目。對于所有與硬件無關(guān)的模塊，兩個項目中的模塊及其配置完全相同。 而MCAL模塊（如下面截圖中的CAN）則有所不同。不過，配置已從目標(biāo)項目導(dǎo)入到虛擬項目。

圖5. EB tresos Studio中的目標(biāo)和虛擬項目

完成第一步后，所有帶有AUTOSAR接口的應(yīng)用軟件組件都將被樁模塊替代，測試框架可以輕松控制這些樁模塊，以確保軟件正常啟動，并觸發(fā)測試所需的測試邊界情況。

最后一步，即構(gòu)建配置，需要調(diào)整多個Make文件，以便使用具有適當(dāng)設(shè)置的本機(jī)編譯器進(jìn)行構(gòu)建，確保虛擬ECU中重復(fù)使用正確的文件。

5. 使用ECU虛擬化

引言中強(qiáng)調(diào)了ECU和嵌入式軟件開發(fā)項目中常見的五大挑戰(zhàn)：

尚無可用硬件

硬件測試裝置昂貴且不可擴(kuò)展

基礎(chǔ)軟件配置難以測試

測試覆蓋范圍有限

測試速度僅限于實時

通過這個參考項目，Molex、Elektrobit和Synopsys將ECU虛擬化確立為核心技術(shù)，并引入全新開發(fā)流程來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

可擴(kuò)展的虛擬測試臺（帶加速功能）

Molex虛擬ECU現(xiàn)已投入使用，實現(xiàn)了“從硬件在環(huán) (HiL) 到軟件在環(huán) (SiL)”的遷移。圖6展示了測試裝置以及通過添加虛擬ECU作為被測設(shè)備對現(xiàn)有Molex測試裝置的擴(kuò)展。虛擬測試臺可提供ECU的數(shù)字與模擬輸入/輸出信號，這些信號以虛擬ECU信號形式呈現(xiàn)，并能像變量一樣被訪問。SiL仿真可選擇連接到一個或多個真實ECU，以運行混合測試臺。當(dāng)需要驗證部分仍處于早期設(shè)計階段的系統(tǒng)時，此類混合配置尤為實用。

圖6. 測試框架可通過切換配置從虛擬ECU切換到真實ECU

在純虛擬執(zhí)行模式下，虛擬測試臺中的每個參與組件都與Synopsys Silver生成的仿真時間同步，Synopsys Silver將仿真分割成可配置時長（通常為毫秒級）的宏步驟。這樣，在仿真復(fù)雜到主機(jī)無法以實時速度執(zhí)行的情況下，就能以加速因子執(zhí)行仿真，縮短測試運行時間，并確保行為的一致性。

升級后的設(shè)置可通過Synopsys虛擬CAN總線及虛擬傳感器/執(zhí)行器信號，復(fù)用現(xiàn)有Molex測試框架與測試用例，完成無線充電ECU的驗證。

圖7所示為Synopsys Silver的圖形用戶界面。左側(cè)項目區(qū)域為仿真中所有模塊的列表。 右中部的主SiL區(qū)域為可用于顯示和修改仿真中的信號和數(shù)值（本例中為診斷請求內(nèi)容和車速）的部件。 右下角區(qū)域為用于配置模塊和仿真的選項卡列表。在下面的截圖中，我們可以看到仿真的性能指標(biāo)，如當(dāng)前的加速因子。

圖7. Synopsys Silver中的仿真

由于接口開放，Synopsys Silver具備高度可擴(kuò)展性，可兼容多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具。例如，如圖8所示，其總線監(jiān)控模塊支持通過Wireshark捕獲虛擬網(wǎng)絡(luò)流量。利用這些功能，用戶能夠監(jiān)測虛擬網(wǎng)絡(luò)的流量，并分析各參與組件的行為。

圖8. Wireshark中的CAN FD流量

由于虛擬ECU是本地Windows二進(jìn)制程序，因此可以使用gdb和Visual Studio Code等標(biāo)準(zhǔn)工具進(jìn)行調(diào)試、跟蹤和覆蓋范圍檢測，就像其他Windows應(yīng)用程序一樣。堆棧跟蹤和觀察點等功能開箱即用，且無需額外成本。

提高測試深度和頻率

通過該虛擬ECU測試環(huán)境，平臺團(tuán)隊現(xiàn)在能夠不依賴硬件驗證車輛軟件，且無需更改任何測試代碼。這在以前是無法實現(xiàn)的。只需調(diào)整測試配置，現(xiàn)有的測試用例就能與虛擬ECU而非實際ECU進(jìn)行交互。 這顯著節(jié)省了開發(fā)時間，因為同一套測試用例現(xiàn)在可同時適用于虛擬ECU和真實ECU。虛擬測試裝置可供所有開發(fā)人員使用，并可根據(jù)需要在環(huán)境中進(jìn)行設(shè)置。 在開發(fā)電腦上進(jìn)行本地設(shè)置與集成到自動化CI/CD/CT管道和其他基礎(chǔ)設(shè)施中一樣簡單。為項目添加新成員不再需要漫長的購買和硬件設(shè)置過程。

通過將虛擬ECU集成到持續(xù)構(gòu)建和持續(xù)測試管道中，平臺團(tuán)隊現(xiàn)在能夠在每次合并驗證時執(zhí)行測試，使他們能夠切換到穩(wěn)定分支工作流程。這是持續(xù)交付工作流程的先決條件。

總之，虛擬ECU和SiL測試的引入意味著開發(fā)人員可以在幾分鐘內(nèi)驗證新功能。團(tuán)隊現(xiàn)在可以用更少的資源、更快的速度開發(fā)出有價值的功能和錯誤修復(fù)。全棧測試（包括閃爍和性能評估）仍然需要在HiL環(huán)境中進(jìn)行驗證。不過，與以前相比，系統(tǒng)集成團(tuán)隊在HiL環(huán)境中修復(fù)錯誤的時間節(jié)省了50%以上。新的SiL工作流程有助于Molex確保軟件在更早的時間點達(dá)到更高的成熟度，從而加快產(chǎn)品上市時間，同時降低開發(fā)成本。

6. 虛擬化技術(shù)解鎖軟件定義汽車

要滿足汽車行業(yè)客戶的需求，提高創(chuàng)新速度和加快產(chǎn)品開發(fā)至關(guān)重要。在嵌入式軟件開發(fā)過程中利用虛擬化技術(shù)，是實現(xiàn)軟硬件解耦的關(guān)鍵，這不僅可以在芯片流片前階段就開始軟件開發(fā)，還可以使整個組織和全球各地的所有開發(fā)人員和部門都能使用測試裝置。

對Molex平臺實施ECU虛擬化（目前已投入使用的商業(yè)解決方案），為了解汽車行業(yè)對虛擬化的期望和要求以及日常使用中的實際經(jīng)驗提供了寶貴的洞察。

該項目歷時4周，團(tuán)隊僅專注于Classic AUTOSAR的三級虛擬化，以生成Molex解決方案的主機(jī)編譯虛擬ECU。 Synopsys Silver被用作虛擬ECU仿真工具，并用作與目前用于測試真實目標(biāo)的現(xiàn)有Molex測試框架連接的接口。虛擬ECU構(gòu)建工作流程與真實目標(biāo)硬件的構(gòu)建工作流程無縫集成，以簡化工作流程的維護(hù)，并使開發(fā)人員能夠輕松利用虛擬ECU的優(yōu)勢。所需的主要工作包括對現(xiàn)有Molex平臺的分析，以及虛擬ECU的初始構(gòu)建，該構(gòu)建需要替換MCAL（微控制器抽象層）并對CDD（復(fù)雜驅(qū)動器）進(jìn)行樁模塊化處理。

本案例研究展示了虛擬化概念與現(xiàn)有Classic AUTOSAR平臺的成功集成，建立了統(tǒng)一的工作流程來構(gòu)建真實和虛擬目標(biāo)，并將其無縫集成到單一測試框架中。通過在軟件開發(fā)工具箱中添加三級虛擬ECU，Molex無線充電項目可以更快地讓新開發(fā)人員上手，在本地電腦上執(zhí)行AUTOSAR基礎(chǔ)軟件配置測試，并且能夠脫離稀缺的開發(fā)硬件獨立開展工作。該團(tuán)隊擁有更便捷的汽車軟件開發(fā)體驗，就像本地Windows或Linux應(yīng)用程序開發(fā)一樣，無需昂貴的硬件即可實現(xiàn)更強(qiáng)大的調(diào)試和跟蹤功能。通過全虛擬裝置，調(diào)試變得更加容易；設(shè)置斷點時會暫停整個測試臺，使開發(fā)人員能夠分析仿真中每個節(jié)點的狀態(tài)。軟件功能現(xiàn)在可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行驗證，甚至可以在系統(tǒng)層面進(jìn)行驗證。

虛擬ECU與真實ECU配置比較：

表1. 虛擬ECU與真實ECU測試對比A

只有有效控制汽車電子電氣架構(gòu)固有的復(fù)雜性，才能實現(xiàn)將軟件打造為核心競爭力的軟件定義汽車。實踐證明，虛擬ECU在汽車軟件開發(fā)的加速、自動化和規(guī)?；矫姘l(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 充分運用“左移”理念，有助于大幅提升嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率與現(xiàn)代化水平，為實現(xiàn)軟件定義汽車奠定堅實基礎(chǔ)。

關(guān)于作者

Wolfgang Thieme

系統(tǒng)與云解決方案產(chǎn)品管理總監(jiān)

Elektobit Automotive GmbH

Simon Durr

虛擬化首席架構(gòu)師

Elektrobit Automotive GmbH

Marcus Sch?fer

運輸創(chuàng)新解決方案部工程師

Molex GmbH

Stefan Thiel

嵌入式軟件和系統(tǒng)首席產(chǎn)品經(jīng)理

Synopsys Inc.