2024年汽车微控制器软件开发的五大挑战白皮书

olom oloI Ourheart beats embedded. 汽车微控制器 软件开发中的五大挑战 汽车制造商和供应商指南 EmpoweringTomorrow'sAutomotiveSoftwarewww.etas.cn 摘要 作为车辆实时能力和功能安全的关键推动要素，微控制器在汽车行业中继续发挥着至关重要的作用。然而，优化微控制器软件的开发过程通常不是首要任务，市场更关注差异化和创新的应用，而不是在后台工作的嵌入式功能。在通往软件定义车辆的道路上，基本的开发任务往往会被搁置一边。但是，正是这一过程的优化保证了汽车制造商和供应商未来的成功。 为了促进最先进的汽车软件开发过程，ETAS整理了客户面临 的五大挑战：高集成工作，标定复杂，测试耗时，可扩展性和灵活性限制，以及整体网络安全要求。根据V模型的具体过程步骤，本白皮书描述了这些挑战并提供了适当的解决方案，这将帮助您提高开发过程的效率、减少工作量、实施更高的安全标准，并最终跟上快速发展的市场步伐 目录 1.介绍4 2.世界车辆微控制器概览5 3.车载单片机软件✁开发过程6 3.1.ECU生成变化的原因6 3.2.开发过程中✁主要步骤7 4.制造商和供应商面临✁主要挑战9 4.1.高集成工作9 4.2.标定复杂10 4.3.测试和调试耗时11 4.4.可扩展性和灵活性限制12 4.5.整体网络安全需求13 5.结论14 汽车微控制器软件开发中的五大挑战3 1.介绍 安全性、实时性、资源优化一一这些特性在很大程度上取决于电子控制单元（ECU），特别是微控制器，它们是现代车辆中各种重要功能的基础。但是，原始设备制造商（OEM）和供应商面临的创新压力往往导致他们忽视ECU软件的开发过程，而倾向于更令人兴奋的技术。尽管如此，ECU仍有很大的改进潜力：更多的自动化、更高的效率 克服安全限制，等等。随着需求的增加和创新速度成为决定性因素，不 更新这些基本流程最终会产生不良影响。 在一辆典型的现代汽车开发过程中，有很多这样的基础工作要做。车辆代码的大部分分布在微控制器上，在不被用户注意到的情况下完成其日常工作。然而，这种深度嵌入式软件在车辆中具有非常特殊的责任：汽车部件的敌障可能对乘客的健康产生严重影呵。因此，汽车行业的要求也很高，尤其是在满足不断变化的安全法规方面。嵌入式微控制器系统的软件开发虽然是一项日常任务，但它极其重要一一而且在未来几年 里仍将如此 本白皮书旨在帮助制造商和供应商重新组织其流程，以实现最先进的微控制器软件开发。首先介绍了车辆微控制器的重要性以及为ECU代际更换开发新软件所需的步骤。然后深入探讨了主要主题：开发过程中面临的五大主要挑战及可能的解决方案。并非每家汽车公司都会同样受到所有挑战的影响。一些制造商和供应商并不在内部完成所有步骤。 其他因素同样具有决定性作用，例如数字化的成熟度、现有工具的组成、 遗留软件的数量以及硬件设置。尽管如此，了解全局、常见的困难和潜 在的解决方案对汽车行业的每个参与者都是有益的。 汽车微控制器软件开发中的五大挑战 2.世界车辆微控制器概览 车辆中的大多数控制和通信任务都是由各种微控制器作为ECU的核心来完成的：从用于传感器接口和控制的经济实惠的8位微控制器，到用于现代信息娱乐显示器和车辆动态系统的32位微控制器。 标准的现代车辆包含超过40个这样的电子组件，高端车型甚至多达150人。这些组件确保了例如安全 气囊、ABS（防抱死制动系统）、ESC（电子稳定控图1：全球微控制器市场增长 制系统）、发动机控制、轮胎压力和电池状态等功能 10bUSD 9.65 的可靠性。所有这些都在后台进行，驾驶员察觉不到。年度增长 6.7% 目前，OEM和供应商正面临着越来越短的E/E 架构创新周期，以及越来越多的车辆型号和功能。因此，基于微控制器的软件开发也必须变得越来越高效。与软件定义汽车相关的趋势，如软硬件解耦、集中式车载计算机或车载云计算，只是在表面上取代了传统的ECU方法。实际上，嵌入式系统将继续发挥决定 5bUSD5.48 性作用，因为它们是确保实时能力和功能安全达到20232032 ASIL-D的唯一途径。市场报告预测微控制器领域将汽车微控制器的全球市场规模预计将以每年6.7%的速度增长。 有相当大的增长（见图1）。因此，原始设备制造商和供应商必须调整ECU软件的开发过程，以适应新的市场对速度、灵活性和安全性的要求。 嵌入式微控制器系统的软件开发既不是新的 也不是汽车行业所独有的。这些组件安装在电子设备和日常用品中，从牙刷到吸尘器。那为什么在汽车领 来源：https：//www.fortunebusinessinsights.com/de/markt-f-r-mikrocontrol ler-f-r-die-automobilindustrie-104084 简要解释: ECU、MCU、MPU和VCU的协 域开发过程显得特别呢？最重要的方面是从车辆上路调 的第一分钟起就需要高安全性和可靠性要求，其次是 几十年的可维护性。此外，可靠的实时能力对于动力 汽车系统中使用的电子控制单元（ECU）是管 系统控制或车辆动力学等许多系统至关重要：电子控理车辆中特定功能的专用计算机。在这些ECU制系统必须始终与车辆或环境中展开的物理过程保持中，微控制器（MCU）处理实时任务，如发同步。动机控制和传感器管理。微处理器（MPU) 虽然微控制器编程对于OEM和供应商来说是一则用于更高级的ECU，提供更高的处理能力， 项周期性的常规任务，但随着每一代的变化，使其适用于复杂的应用，如信息娱乐系统和高级驾驶 应高监管要求，同时使其在全球OEM和供应商网络 中尽可能高效是具有挑战性的。对于那些使用长期建 辅助系统（ADAS），通常运行在Linux等操 立的流程链且工具和方法仅部分兼容当前要求的公司作系统上。车辆计算机（VCU）协调这些 来说，这尤其如此。ECU，确保整个车辆网络的无缝通信和操作。 汽车微控制器软件开发中的五大挑战5 3.车载单片机软件✁开发过程 E/E架构正朝着更加集中✁方式进行重组，但基在车辆ECU软件开发过程中，程序员在开始创建新 于微控制器✁ECU将继续存在。嵌入式软件✁一般软件之前，必须投入精力进行工具链设置。每一代新开发过程理论上可以继续保持不变。然而，为了满足✁ECU都有其特定✁开发过程，取决于具体✁领域 对功能性渴求✁市场需求，开发周期将急剧加快，正和合作模式。相应✁工具链是为即将到来✁这一代单如我们在流行✁软件定义车辆（SDV）中所遇到✁那独定义✁，因此可能会包含相当大✁变化，这与通过样。传统✁方法无法跟上这种速度，然而，它们也不更新解决✁小调整形成对比。指导原则是尽可能少地能简单地在一夜之间被取代。在许多情况下，最佳解(或仅在必要时）从一代到下一代进行更改，因为新决方案是将经过验证✁流程和工具与创新解决方案相✁工具链总是需要高昂✁迁移成本和项目风险。 结合。从一代到下一代需要进行这些变更✁原因有很多 首先，重要✁是要了解流程✁触发因素，并将该（见图2）。有些是内在✁，例如质量问题或对当前流程中✁各个步骤分离出来。工具或工具供应商✁不满意程度较低。其他则是由外 部因素决定✁，例如新✁立法或流程要求（例如 3.1ECU生成变化✁原因 ASPICE，ISO26262ASIL-D）。市场压力或增强✁ 可用性和最先进✁用户界面也起着决定性作用。代际 在深入探讨具体挑战之前，让我们简要地看一变更最常见✁障碍包括高成本、质量风险和不一致✁下为什么必须首先开发新✁ECU软件，以及为什么遗留问题，即难以适应、不灵活✁工具链设置。主要这个过程如此耗时且复杂。一切都始于从一代ECU需求是提高流程中✁自动化水平。 可下一代✁转变，这需要对软件进行大幅度✁重塑， 图2:ECU生成变化✁原因和障碍 质量问题 质量风险高成本 立法或程序要求最先进✁用户界面 难以处理和不一致 ✁问题 对现有工具或工具供应商或工具供应商 满意度低 难以适应且不灵活✁ 工具链设置 增强✁可用性自动化需求 市场压力 变革✁主要原因变革✁主要障碍 汽车微控制器软件开发中✁五大挑战6 3.2开发过程中✁主要步骤 嵌入式软件开发过程✁一个常见示例是√模型它们不一定一个接一个地处理。有些可以并行运行它有不同✁变体。根据我们✁经验，我们将阶段划或者必须多次执行。需求和变体管理在所有工作步骤分为以下主要工作步骤，如下面✁图3所示。中都是必要✁，并且需要多次迭代。 图3：车辆软件开发✁V模型 Time Deployment Requirement specification Calibration ArchitectureTestingand designvalidation Middleware configuration Integration Detailing Coding Requirementandvariantmanagement Holisticsecurity V模型将软件开发分为两个主要部分。此版本已适应ECU软件开发过程 体系结构设计 作为ECU✁一部分，微控制器负责特定✁互连层硬件并为软件组件提供标准化接口，以实现无缝交功能，如发动机或车辆动态控制。因此，非常详细✁互。 需求目录是关键。第一步包括识别所有功能、约束、 硬件元素、中间件及其相互依赖关系。在这个早期阶不言而喻，这样✁中间件必须符合最高✁安全标 段，所有硬件和软件组件都必须符合严格✁汽车标准，准，因为ECU中✁漏洞和合规性问题可能导致未经 需要对细节进行细致入微✁关注。授权✁访问、数据泄露和系统故障，从而危及车辆✁安全性和可靠性。确保这种水平✁合规性符合严格✁ 中间件配置 行业标准需要广泛✁测试和验证，这增加了开发过程 ✁复杂性和时间。因此，中间件✁选择至关重要，重 中间件是指ECU中位于操作系统或硬件与应用点在于成熟度（符合ISO26262ASIL-D）、未来导 软件之间✁软件层。它可以作为桥梁，促进车辆软件向（无供应商锁定）和网络安全。只有一个健壮且高架构中各个组件之间✁通信和数据交换。通过将应用度可配置✁中间件解决方案，并且具有持续更新，才程序和与硬件相关✁系统解耦，中间件使独立开发能保护ECU免受不断发展✁威胁，并满足所有（不维护和升级它们成为可能。中间件充当中介，抽象底断变化✁）法规需求。 汽车微控制器软件开发中✁五大挑战 编码测试和验证 一旦定义了体系结构，并且确定了具有特定测试和验证阶段确保ECU✁功能符合有关安全 需求✁所有组件，开发人员就可以将系统设计转性、性能和可靠性✁所有要求和规范。广泛✁测试可换为功能软件。所需✁功能已经存在于标准流程以识别可能出现✁任何潜在问题或故障。在软件密集中。在这里，软件开发人员编写新✁（补充）功型车辆✁情况下，这个过程可能变得非常复杂和漫长。能，消除错误，并优化或扩展现有功能。挑战在因此，在尽可能短时间内执行尽可能多✁测试对于最于建立一个确保实现现有功能而无需重写它们✁小化成本和最大化性能至关重要。 可能性✁过程。这意味着高可重用性，同时保持 高水平✁功能安全、网络安全和代码效率。 校准 在校准过程中，参数和字段填充数据，确保软件 集成✁行为适应物理系统。有些应用程序可能包含成干上在这一点上，所有✁工作流都可以聚集在一万个相互影响✁参数。此外，参数需要满足特定✁性 起：中间件配置、架构设计信息、应用软件以及能目标、环境条件和监管标准。调整必须在以后✁更 预校准数据都被构建为可以闪现到微控制器上✁新中实施，例如当排放标准发生变化时。 代码。 一个主要✁挑战在于优化，即平衡汽车功能 ✁性能与新硬件✁能力，以满足特定✁效率目标部署 和环境条件。这涉及到对中间件进行微调，以实一旦软件达到“可用”阶段，它将经过最终✁批现高效✁系统资源使用和实时操作。当然，安全准过程，并完全刷写到目标ECU上 性和合规性也至关重要：满足严格✁安全标准和 监管要求意味着执行严格✁测试和认证流程。 汽车微控