车载软件架构---软件定义汽车的复杂性

我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师。

老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：

屏蔽力是信息过载时代一个人的特殊竞争力，任何消耗你的人和事，多看一眼都是你的不对。非必要不费力证明自己，无利益不试图说服别人，是精神上的节能减排。
无人问津也好,技不如人也罢,你都要试着安静下来,去做自己该做的事.而不是让内心的烦躁、焦虑、毁掉你本就不多的热情和定力。

时间不知不觉中，快要来到深秋。国庆假期结束，又开始新的忙碌。成年人的我也不知道去哪里渡自己的灵魂，独自敲击一些文字算是对这段时间做一个记录。

一、行业大转变

随着软件定义汽车（SDV）概念的兴起，汽车行业正经历一场前所未有的革命。汽车正迅速变得更加互联化、自动化、共享化和电动化，这四个特征被业界概括为“CASE”。这一趋势不仅改变了汽车的形态和功能，也对汽车制造商在软硬件设计、网络安全、安全性以及商业模式上提出了新的挑战和要求。

软件定义汽车时代为汽车行业带来了前所未有的机遇和挑战。为了适应CASE趋势和消费者需求，汽车制造商必须重新审视和重新设计传统汽车架构，加强软硬件的集成和优化，提升网络安全和安全性水平。同时，OEM需要向软件公司学习先进的开发方法和商业模式，培养跨领域的复合型人才，以推动技术创新和市场拓展。只有这样，才能在软件定义汽车时代取得成功。

在本篇文章中，我们将重点介绍汽车行业所面临的软硬件复杂性、网络安全和安全性方面的各种挑战。此外，我们还将讨论原厂制造商（OEM）如何向软件公司学习，顺利过渡到软件定义汽车时代并取得成功。

二、什么是软件定义汽车（SDV）？

在传统观念中，汽车被视为一种复杂的机械装置，其核心在于发动机、传动系统、车轮和燃料等物理组件。然而，随着科技的飞速发展，特别是软件技术的不断进步，汽车正在经历一场深刻的变革。如今，汽车已经不仅仅是机械装置，更是集成了大量电子系统和软件的智能设备，可以被视为“车轮上的计算机”。

想象一下，一辆汽车在其整个生命周期内，通过无线软件更新就能改变其悬架设置或加速功能。这种能力不仅极大地增加了汽车的灵活性和可定制性，还使得汽车制造商能够持续地为车辆提供新的功能和性能优化。这种变化在过去是难以想象的，但现在已经成为现实。

就像智能手机可以通过软件更新获得弱光图像优化等新功能一样，汽车也可以通过软件更新部署更好的算法，从而提升发动机性能、优化耗电情况，甚至实现更高级的自动驾驶功能。这些软件更新不仅提高了汽车的性能和效率，还为消费者带来了更加个性化和智能化的驾驶体验。

从机械到智能的转变

随着汽车电子化和智能化的不断发展，汽车的软件部分变得越来越重要。现代汽车内部集成了大量的传感器、控制器和执行器，它们通过复杂的网络进行通信和协作，以实现各种功能。这些电子系统和软件不仅控制着汽车的物理运动，还负责监测车辆状态、提供驾驶辅助、实现娱乐和信息服务等功能。

因此，现代汽车已经不再是单纯的机械装置，而是高度集成的电子系统和软件的集合体。这些软件和电子系统不仅提高了汽车的性能和安全性，还为消费者提供了更加便捷和舒适的驾驶体验。

随着技术的不断进步和消费者需求的不断变化，汽车将继续向更加智能化和个性化的方向发展。未来的汽车将具备更强的自主学习和适应能力，能够根据驾驶者的习惯和偏好进行自动调整和优化。同时，随着自动驾驶技术的不断成熟和普及，未来的汽车将能够实现更高程度的自主驾驶和智能交通管理。

三、SDV 给制造商带来的挑战与好处

传统上，原厂制造商（OEM）采用的是电气/电子（E/E）架构，其中包含数百个专为特定任务而设计的电子控制单元（ECU），这导致了对供应商的依赖性，并且降低了在不同车型之间的可扩展性。

汽车行业的范式转变：从硬件为主到软件驱动

在传统汽车制造中，原厂制造商（OEM）普遍采用电气/电子（E/E）架构，该架构包含大量专为特定任务设计的电子控制单元（ECU）。这种做法虽然在一定程度上满足了车辆运行的需求，但带来了不少问题。首先，它对供应商的依赖性很高，不同车型间的ECU往往不兼容，限制了OEM在不同车型之间的可扩展性。其次，这些ECU的设计往往是特定于车型的，一旦需要更新或修改，就会涉及大量的费用和资源浪费，因为这些改动往往无法在其他车型上复用。

随着消费者对汽车安全性和智能化需求的不断提高，定期更新汽车软件已成为市场的一大需求。消费者不仅希望获得安全补丁以提升车辆的安全性，还期待车辆能够定期获得新功能和服务，以保持其竞争力和使用体验。然而，传统的E/E架构在这方面显得力不从心，因为它难以支持频繁的软件更新和跨车型的功能复用。

为了应对这些挑战，OEM开始认识到必须从以硬件为主的车辆结构转变为软件驱动的车辆结构。这种转变不仅有助于管理无线更新和组件间交互，还能提升车辆的智能化水平和可扩展性。于是，软件定义汽车（SDV）的概念应运而生，它代表了汽车行业的范式转变。

SDV利用基于软件的系统来提高车辆的性能，同时更有效地利用资源。与传统E/E架构相比，SDV采用了更加集成和标准化的软件平台，这使得OEM能够摒弃数量多且复杂的ECU组件，转而使用少量有限且易于管理的系统。这种做法不仅降低了对供应商的依赖性，还提高了软件的可复用性和可扩展性，使得OEM能够更加灵活地应对市场变化和消费者需求。

软件定义汽车（SDV）代表了汽车行业的范式转变。SDV 利用基于软件的系统来提高性能，并且能够更有效地利用资源。原厂制造商（OEM）需要摒弃数量多且复杂的组件，转而使用少量有限且易于管理的系统。

软件定义汽车的主要好处包括：

-> 降低复杂性和成本

-> 更快上市

-> 提高产品质量

-> 具备硬件和软件灵活性

SDV 高度侧重于功能和基于软件的服务，因此还可以提供更好的安全性和用户体验。为了实现这一点，需要围绕软件重新设计整个价值创造过程。

四、汽车硬件的复杂性不断增加

随着汽车设计不断趋向于以软件为中心，制造商正面临着一系列硬件方面的特定挑战。这些挑战不仅源于技术的快速迭代，还涉及到业务模式的根本性变革。

在过去，原厂制造商（OEM）需要处理大量的改装车辆，这些改装带来了大量的组件、平台和配置选择。这些选择往往受到地区特定限制、客户定制要求以及提高车型或品牌吸引力的产品策略的影响。因此，OEM在硬件设计上需要兼顾多种可能性和变化，这增加了设计和生产的复杂性。

与此同时，随着车辆逐渐实现联网，并具备不断更新和功能增强的能力，OEM在努力维护现有系统的同时，也在积极开发新的平台。这些新平台通常无需完全依赖于先前所开发的系统，从而提供了更大的灵活性和可扩展性。然而，这也带来了新的问题：如何确保新旧系统之间的兼容性和平滑过渡？

为了改善这种复杂情况，OEM首先需要降低硬件和软件的依赖性。这一方法已经在云和智能手机领域得到了广泛应用。以iPhone为例，同一个iOS版本可以在多代iPhone上运行，而且同一部iPhone在其整个生命周期内也能享受多个iOS版本的更新。这种软硬件解耦的做法不仅提高了系统的灵活性和可扩展性，还降低了用户的升级成本和维护难度。

然而，在汽车行业中实现这种软硬件解耦并非易事。首先，解除硬件开发周期与软件开发之间的相关性意味着OEM需要改变其业务模式、采购形式和工作方式。这可能需要重新思考整个产品开发流程，以及如何在不同部门和供应商之间分配责任和利益。

其次，汽车行业还缺乏明确的标准来指导车辆硬件和软件之间的接口设计。没有这些标准，OEM和供应商就很难在设计和生产过程中实现协同和优化。因此，制定和推广这些标准将是推动汽车行业软硬件解耦的关键一步。

五、软件复杂性和解决方案

软件定义车辆（SDV）技术路线：解决冗余与筒仓式ECU构造的挑战

随着汽车行业的快速发展，原厂制造商（OEM）面临着越来越多的挑战，特别是在软件重用和硬件兼容性方面。当存在冗余的软件组件或功能时，大多数OEM发现现有的软件无法轻松地在配置完全不同的硬件上重用。这不仅增加了额外的工作量，还可能引发潜在的兼容性问题。

进一步加剧这一复杂性的是电子控制单元（ECU）的筒仓式构造。传统的ECU设计往往各自为政，拥有自己的硬件和软件，包括中间件、操作系统（OS）和服务集。这种分散的设计使得软件重用变得尤为困难，同时也增加了系统维护和更新的复杂性。

为了应对这些挑战，软件定义车辆（SDV）技术路线应运而生。SDV技术路线的核心是为整个车辆引入一个共用的抽象层，以便重用现有的软件。这一抽象层能够屏蔽底层硬件的差异，使得软件可以在不同的硬件平台上无缝运行。通过这样做，SDV技术路线可以大大简化复杂的硬件和软件配置，降低开发和维护成本。

此外，SDV技术路线还能够更轻松地实现更新和兼容性。由于软件与硬件之间的解耦，OEM可以更加灵活地更新软件，而无需担心底层硬件的限制。这不仅提高了系统的可扩展性，还使得OEM能够更快地响应市场变化和消费者需求。

更重要的是，SDV技术路线为更多未来适用型电气/电子（E/E）架构奠定了基础。随着汽车向更加智能化和网联化的方向发展，ECU的架构也需要进行相应的变革。SDV技术路线推动了从孤立专用的ECU转向区域集中性的侧重于高性能计算（HPC）的架构。这种新的架构将ECU的功能整合到更少的区域控制器中，通过高性能计算平台来实现更加复杂和智能的功能。

六、网络安全问题

汽车行业的网络安全挑战与软件定义技术路线

随着汽车逐渐演变为车轮上的计算机，嵌入式软件的增加也带来了更多的潜在漏洞。原厂制造商（OEM）在构建汽车系统时，通常依赖于多个不同的供应商，这些供应商在共同的平台上工作，但使用不同的工具进行开发。由于保密性和竞争性的考虑，这些工具和开发项目很少在整个行业内共享，这使得合作研发共用解决方案以应对漏洞变得异常困难。

随着法规的日益严苛，OEM必须针对常见漏洞和暴露（CVE）提供及时的补丁和修复。然而，由于汽车系统的复杂性，传统的硬件为主的方法已经难以应对这种挑战。因此，转向软件定义的整体环境变得越来越有必要。

软件定义的技术路线提供了所需的灵活性和可扩展性，使OEM能够既遵守法规要求，又能够提供用户体验（UX）更新，并应对硬件复杂性的难题。通过采用基于软件的系统，OEM可以更容易地实现远程更新和修补，从而降低漏洞被利用的风险。

网络安全并不仅仅依赖于软件。硬件漏洞同样存在，并且通常会导致更严重的后果。虽然一些硬件问题可以通过软件修补，但许多CVE会在系统的整个生命周期内持续存在。因此，在硬件构思的过程中，就必须在规范和系统架构方面充分考虑到网络安全，以减少漏洞的产生。

例如，Meltdown和Spectre这两种世界上最常见的硬件漏洞仍然存在，并且影响了大量的设备。这凸显了在硬件设计阶段就需要考虑网络安全的重要性。OEM和供应商需要共同努力，确保在硬件设计和制造过程中，采取必要的措施来防止和减轻潜在的网络攻击。

七、安全性方面的注意事项

汽车安全性问题：高级驾驶辅助系统（ADAS）与功能安全性

在现代汽车制造业中，安全性问题日益凸显其重要性，特别是随着高级驾驶辅助系统（ADAS）的广泛应用。ADAS系统能够访问和控制车辆的关键功能，如加速、制动和转向，对确保乘员安全至关重要。因此，原厂制造商（OEM）必须遵守严格的功能安全性要求，以减少因系统故障可能引发的风险和危险。

功能安全性是一个旨在确保系统在设计寿命内，在规定的条件下，能够执行其预期功能，从而避免或减少因故障导致的危险的概念。随着自动驾驶（AD）技术的不断发展，安全性已经成为消费者在选择车辆时考虑的关键因素之一。

为了确保ADAS系统的安全性，OEM需要不断地对其进行安全合规认证。这一过程涉及对系统进行全面的测试和评估，以确保其在各种操作条件下都能正常工作，并且在出现故障时能够采取适当的措施来减少风险。此外，随着技术的不断进步和市场的不断变化，任何新增的服务或功能都必须经过严格的评估，以确保它们不会对现有的安全系统造成干扰或影响。

在安全性问题的背景下，OEM需要采取一系列措施来确保ADAS系统的可靠性和安全性。这包括采用冗余设计、加强系统的故障检测和诊断能力、以及定期进行软件更新和修补等。同时，OEM还需要与供应商、监管机构以及行业内的其他利益相关者密切合作，共同推动安全标准的制定和实施。

总结

1、CASE趋势的深刻影响

-> 互联化（Connected）：

汽车不再是孤立的交通工具，而是成为了互联网的一部分，能够实时交换数据和信息。互联化要求车辆具备强大的通信能力和数据处理能力，以支持远程服务、实时导航和车辆健康监测等功能。

-> 自动化（Autonomous）：

自动驾驶技术的快速发展使得车辆能够自主完成驾驶任务，减少人为干预。自动化对传感器的精度、计算平台的性能和算法的可靠性提出了极高的要求。

-> 共享化（Shared）：

共享经济模式推动了汽车共享服务的普及，提高了车辆的利用率和灵活性。共享化要求车辆具备多用户支持、远程管理和按需调度等能力。

-> 电动化（Electric）：

电动汽车的普及减少了对传统化石燃料的依赖，降低了排放和噪音。电动化要求车辆具备高效的电池管理系统、能量回收系统和充电基础设施。

2、软硬件复杂性与挑战

-> 硬件设计：

SDV需要高度集成的硬件平台，以支持复杂的传感器、控制器和执行器网络。硬件必须具备高可靠性和长寿命，以满足车辆运行的安全性和耐久性要求。

-> 软件开发：

SDV的软件系统庞大且复杂，包括操作系统、中间件、应用层和网络安全组件。软件需要具备实时性、可升级性和可扩展性，以适应不断变化的功能需求和用户需求。

3、网络安全与安全性挑战

-> 网络安全：

SDV面临来自网络攻击的严重威胁，包括远程攻击、数据窃取和恶意软件注入。必须建立全面的网络安全防护体系，包括加密通信、入侵检测和实时响应机制。

-> 功能安全：

SDV的安全功能（如自动紧急制动、车道保持辅助）必须满足严格的行业标准（如ISO 26262）。需要通过冗余设计、故障检测和容错机制来提高系统的可靠性。原厂制造商（OEM）向软件公司的学习

4、软件技能与方法：

OEM需要借鉴软件公司的敏捷开发、持续集成和持续部署（CI/CD）等实践，以提高软件开发的效率和质量。需要培养跨领域的复合型人才，掌握汽车工程、计算机科学和网络安全等多学科知识。

5、商业模式创新：

OEM需要探索基于数据的服务模式，如车辆数据分析、远程维护和个性化定制等。需要与科技公司、初创企业和供应商建立紧密的合作关系，共同推动技术创新和市场拓展。

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