隨著車輛的電子化程度逐漸提高，電子控制單元（ECU）占領(lǐng)了整個(gè)汽車。從防抱死制動系統(tǒng)、四輪驅(qū)動系統(tǒng)、電控自動變速器、主動懸架系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)，逐漸延伸到了車身安全、網(wǎng)絡(luò)、娛樂、傳感控制系統(tǒng)等。隨著汽車電子功能的豐富性和復(fù)雜性不斷提高，汽車ECU數(shù)量都在逐年遞增，一些高端車型的ECU數(shù)量已經(jīng)破百。

汽車電子軟件爆炸式增長，對汽車電子電氣構(gòu)架帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如何在愈發(fā)復(fù)雜的線路中，保證數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)絡(luò)安全的最優(yōu)化成為難題，用一個(gè)或幾個(gè)“大腦”來操控全車的ECU與傳感器正逐漸成為汽車電子電氣架構(gòu)公認(rèn)的未來，以域?yàn)閱挝坏挠?a target="_blank">控制器（Domain Controller Unit）集成化架構(gòu)是當(dāng)前最佳的解決方案。

所謂“域”就是將汽車電子系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為若干個(gè)功能塊，每個(gè)功能塊內(nèi)部的系統(tǒng)架構(gòu)由域控制器為主導(dǎo)搭建，用一個(gè)高算力的多核中央計(jì)算機(jī)取代以往的多個(gè)分布式ECU架構(gòu)。目前域控制器的“域”一般是指功能域，按照最典型的分類方法可分為動力總成、底盤控制、車身控制、娛樂系統(tǒng)（座艙域）、ADAS這五個(gè)主要的域。在每個(gè)域中，域控制器相當(dāng)于一個(gè)高性能ECU，負(fù)責(zé)處理域內(nèi)部的功能控制和轉(zhuǎn)發(fā)，這就需要控制器本身具備強(qiáng)大的處理功率和超高的實(shí)時(shí)性能以及大量的通信外設(shè)。各個(gè)域內(nèi)部的系統(tǒng)互聯(lián)仍可使用現(xiàn)如今十分常用的CAN和FlexRay通信總線。而不同域之間的通訊，則需要由更高傳輸性能的以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)信息交換任務(wù)。

域控制器的發(fā)展，一方面是由于整車車載電子的發(fā)展需要，能夠大大優(yōu)化整車電子電器線路。使用域架構(gòu)同時(shí)也能夠?qū)鞲信c處理分開，傳感器與ECU不再是一對一的關(guān)系，管理起來比較容易。另外可以適當(dāng)?shù)募苫?，減少ECU的數(shù)量。平臺的可擴(kuò)展性也會更好。將ECU集中化，車輛通信線束也大幅減少，整車零部件成本的下降也顯而易見。隨著未來整車電子電器架構(gòu)的演化，域控制器將會越來越強(qiáng)大。對電子設(shè)計(jì)的要求也會越來越高。本文接下來將圍繞汽車域控制器的優(yōu)勢與應(yīng)用展開論述

使用域控制器集成化架構(gòu)的原因

采用域控制器集成化架構(gòu)代替以前的多ECU分散式架構(gòu)主要有以下這些原因：

汽車功能數(shù)量的逐漸增加與復(fù)雜化

目前汽車的電子架構(gòu)在每個(gè)獨(dú)立的控制單元中集成了一個(gè)或多個(gè)功能特性。這不僅增加了控制單元和分布式軟件功能的數(shù)量，同時(shí)也使得單元之間的通信連接變得復(fù)雜。當(dāng)汽車需要增加新功能時(shí)，以往的解決方案往往是額外增加一個(gè)負(fù)責(zé)相應(yīng)功能的ECU模塊與電路線束。如今，隨著車子電子化程度越來越高，尤其是自動駕駛、主動安全等功能的增加，汽車的 ECU 數(shù)量急速增加，一輛汽車?yán)锏?ECU 數(shù)量平均會達(dá)到 50-70 ，一些功能更加復(fù)雜的豪華轎車，ECU 數(shù)量早就已經(jīng)破百。2005年的BMW 7系已經(jīng)配備了65個(gè)ECU。到了2010年，奧迪A8上使用的ECU數(shù)量更是超過了100個(gè)。如此多的ECU錯綜交錯，不僅帶來了十分復(fù)雜的線束設(shè)計(jì)，邏輯控制也十分混雜。通過不斷增加ECU數(shù)量來為汽車增加新功能的方法已不再是可持續(xù)的。

未來汽車對高速數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜軟件算法的需求

域控制器技術(shù)是未來汽車發(fā)展不可抗拒的趨勢，也是未來汽車能夠順應(yīng)各種技術(shù)潮流的硬件基礎(chǔ)。隨著汽車對面向安全、娛樂等復(fù)雜功能的需求正在以前所未有的速度增加，未來汽車必須擁有更高的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力。很多主機(jī)廠都聲稱要在未來將汽車打造成“車輪上的智能手機(jī)”。當(dāng)汽車逐漸向著大號的移動智能終端發(fā)展時(shí)，就必須使得汽車像智能手機(jī)那樣，不斷升級換代，通過更多的計(jì)算能力和更好的軟件算法來滿足所需的新特性、新功能。

傳統(tǒng)的ECU分布式架構(gòu)已經(jīng)無法支持汽車對高速數(shù)據(jù)交換和復(fù)雜的軟件算法的需求，同時(shí)沒有足夠的計(jì)算能力來滿足運(yùn)算數(shù)據(jù)不斷增長的要求，車載網(wǎng)絡(luò)也無法支持高速的數(shù)據(jù)傳輸需求。相較于手機(jī)、平板等設(shè)備，汽車的使用周期長得多，隨著各大車企推出功能越來越豐富多樣的汽車，買家們往往也會希望自己所購買的汽車能夠擁有像智能手機(jī)那樣的升級能力，而不是像以往那樣，在汽車的整個(gè)使用周期里汽車的功能和特性基本保持不變?；贓CU的分散式電子架構(gòu)汽車中的所有特性和功能都必須在車輛推出前設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，未來將無法滿足消費(fèi)者對汽車功能快速更新的需求。

在“軟件定義汽車”的大趨勢下，智能汽車更多地依賴于硬核的高配置硬件和強(qiáng)大的軟實(shí)力軟件，來滿足一輛智能汽車所需要的軟硬結(jié)合部分。現(xiàn)今風(fēng)靡一時(shí)的OTA（Over The Air Technology）空中下載技術(shù)正是對汽車軟硬件功能的一種遠(yuǎn)程升級技術(shù)，OTA更新可以用來提供新的汽車功能，優(yōu)化汽車軟件系統(tǒng)，修補(bǔ)汽車功能漏洞，提升整體的駕駛體驗(yàn)。OTA具備減少召回成本、快速響應(yīng)安全需求、提升用戶體驗(yàn)，成了未來智能化汽車時(shí)代的必然選擇 為了實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)，我們需要更高的計(jì)算能力、嵌入式內(nèi)存容量和連接帶寬，而只有使用域控制器架構(gòu)的汽車才能滿足所需的硬件要求。

車載SOC成本的降低

在電子產(chǎn)業(yè)摩爾定律的影響下，高性能的汽車SOC芯片的價(jià)格隨著技術(shù)進(jìn)步和大規(guī)模量產(chǎn)將會進(jìn)一步下降。隨著汽車智能化的推進(jìn)，英偉達(dá)、高通、MTK等手機(jī)芯片玩家也開始進(jìn)入車用市場，汽車SOC的成本這幾年正在急劇下降，越來越接近傳統(tǒng)MCU的價(jià)格，這也是汽車制造商使用具有集成功能的域控制器的原因之一。

使用域控制器集成化架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的ECU分布式架構(gòu)相比，域控制器架構(gòu)有以下幾點(diǎn)主要優(yōu)勢：

輕量化，高效率

傳統(tǒng)ECU架構(gòu)下，每個(gè)額外的新功能都會帶來相應(yīng)的ECU和線束，導(dǎo)致錯綜復(fù)雜的線束成為了汽車中僅次于發(fā)動機(jī)的第二重的部件。這種設(shè)計(jì)思想不符合汽車設(shè)計(jì)中的輕量化規(guī)則，會降低汽車的能源效率和行駛里程。采用域控制器，集成了ECU，車輛能夠去掉多個(gè)微控制器、電源、外殼和銅線，大大簡化了汽車電子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)集成和制造自動化，降低了電子部件重量，提高了行駛效率。以汽車駕駛艙域控制器為例，通過集成取代了傳統(tǒng)的儀表盤、信息娛樂系統(tǒng)和HUD顯示器，整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量可以減輕30%以上。

成本降低

為新功能額外增加一個(gè)ECU模塊是不可持續(xù)的，新ECU模塊所對應(yīng)的專用MCU、存儲器、電源、PCB和其他電子元件將大大增加生產(chǎn)制造的成本。隨著具有強(qiáng)大計(jì)算能力的車載SOC芯片的價(jià)格持續(xù)下降，以集成駕駛艙解決方案為例，每輛車至少可以節(jié)省約70美元。隨著域控制器的大規(guī)模量產(chǎn)和出貨量爆發(fā)，汽車的生產(chǎn)成本將會進(jìn)一步降低。

數(shù)據(jù)延時(shí)

智能汽車往往裝載有多個(gè)傳感器用于感知外界環(huán)境，出于安全的原因，車輛需要能夠接受和及時(shí)處理來自自身傳感器、外界其它車輛或基礎(chǔ)設(shè)施（V2X）的大量數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都必須能夠以實(shí)時(shí)或非常接近實(shí)時(shí)的速度進(jìn)行處理，這樣才能保證行駛過程的安全。

對大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，保證較低的數(shù)據(jù)延時(shí)需要高性能的計(jì)算能力和高帶寬的網(wǎng)絡(luò)通信。在具有高性能計(jì)算能力的域控制器中數(shù)據(jù)只需要被處理一次，并可以在不同的內(nèi)核中進(jìn)行共享。而在使用大量ECU模塊的架構(gòu)中數(shù)據(jù)需要在不同網(wǎng)絡(luò)中多次進(jìn)行通信傳輸，并進(jìn)行多次運(yùn)算，傳統(tǒng)的ECU架構(gòu)會導(dǎo)致運(yùn)算效率低，數(shù)據(jù)的延遲性高，無法保證汽車在面對各種緊急情況時(shí)的快速反應(yīng)能力，安全性不夠高。

可升級性

隨著汽車從機(jī)械產(chǎn)品向數(shù)字化電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，軟件水平愈發(fā)成為了汽車的核心競爭力。十年前，一輛汽車僅包含約1000萬行軟件代碼?，F(xiàn)如今，一輛汽車擁有約1億行軟件代碼。在未來，自動駕駛汽車的軟件代碼量將達(dá)到3億至5億行。汽車軟件的代碼量正在成指數(shù)級別地增加，由于代碼的不斷累加，出現(xiàn)的安全漏洞更需要及時(shí)修補(bǔ)。對汽車的功能維護(hù)和復(fù)雜軟件升級將變得更加重要。相較于傳統(tǒng)的分布式ECU架構(gòu)，域控制器具備的算力可擴(kuò)展、更靈活的整車OTA以及軟件比重的加大，使得汽車制造商有能力為用戶提供不斷迭代升級的功能體驗(yàn)。也就是說，車企可以在不增加額外ECU的情況下，僅僅通過對軟件算法進(jìn)行更新就可以實(shí)現(xiàn)汽車功能的升級。

萬物互聯(lián)

由于域控制器具有高性能計(jì)算能力和高帶寬通信，駕駛員可以通過數(shù)字平臺和5G網(wǎng)絡(luò)與周圍的外部環(huán)境相連接。V2X技術(shù)將允許車輛與其它車輛以及道路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通信，以獲得環(huán)境信息。所有這些數(shù)據(jù)必須進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和處理，這需要高帶寬的通信和高性能的車載計(jì)算能力。很明顯，傳統(tǒng)的分立式MCU難以支持高速的通訊和計(jì)算能力。

汽車域控制器的設(shè)計(jì)

IT行業(yè)以及消費(fèi)者電子領(lǐng)域的很多技術(shù)可以被遷移運(yùn)用到未來的智能汽車領(lǐng)域。運(yùn)用在未來汽車上的車載SOC，嵌入式操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)監(jiān)視器以及OTA升級技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，并被廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子以及其它領(lǐng)域。汽車電子框架可以從其它電子產(chǎn)品上借鑒經(jīng)驗(yàn)。

然而出于汽車對安全性的高要求，汽車電子設(shè)計(jì)需要滿足嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)需求。對安全性、穩(wěn)定性、耐用性的要求使得汽車域控制器的設(shè)計(jì)要有極高的質(zhì)量和可靠性。保障汽車的安全和穩(wěn)定性將成為設(shè)計(jì)汽車電子電氣架構(gòu)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。

未來汽車基本架構(gòu)

基本架構(gòu)

未來的汽車電子架構(gòu)正在迅速革新。安全特性以及對自動駕駛功能需要有更好的計(jì)算能力以及更高帶寬的通訊能力。為了使汽車具有更好的連接能力以及信息娛樂功能，汽車將會被改造一個(gè)分布式IT系統(tǒng)，能夠與云端進(jìn)行通信以遠(yuǎn)程更新軟件，同時(shí)實(shí)時(shí)更新數(shù)字地圖信息與交通路況。

上圖展示了未來的汽車電子電氣架構(gòu)，該架構(gòu)需要具備在不同部件以及不同功能模塊之間進(jìn)行交互的能力，并能夠管理和控制不斷增多的功能和復(fù)雜軟件算法。此外，該框架還應(yīng)該具備良好的擴(kuò)展性，以應(yīng)對隨著時(shí)間推移所增加的對汽車功能的需求和期望。OTA也應(yīng)該是該架構(gòu)所必須的功能之一。

汽車電子架構(gòu)的可更新性和可升級性使得OEM在汽車銷售后仍能夠?qū)ζ嚨纳夁M(jìn)程加以控制。軟硬件分離使得汽車的軟件功能獨(dú)立于硬件，大大提高了系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性和更新的便捷性。

框架特性

SOA（Service-oriented Architecture）面向服務(wù)框架：SOA方法已經(jīng)廣泛運(yùn)用于IT以及消費(fèi)者電子領(lǐng)域。SOA為汽車電子系統(tǒng)提供了大量的抽象接口。它的封裝可以使用敏捷開發(fā)方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試，以減少系統(tǒng)功能不斷增加所帶來的復(fù)雜性，并使得軟件組在不同的車輛上更容易實(shí)現(xiàn)復(fù)用。

中央網(wǎng)關(guān)服務(wù)器

使用中央信息服務(wù)器和代理服務(wù)器處理所有的通信信息，將本地控制域與外界環(huán)境隔絕開，以保證系統(tǒng)的安全性和保密性。將系統(tǒng)劃分成物理層，信息層，服務(wù)層，使得系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，同時(shí)使得系統(tǒng)運(yùn)用在不同類型車輛上時(shí)的變化較小，可遷移性較高。

在未來的汽車電子電氣架構(gòu)中，中央網(wǎng)關(guān)將作為信息橋梁，交換信息并隔離車內(nèi)域控制器和外圍通信源，如移動網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、WiFi、以太網(wǎng)等，它還將同時(shí)充當(dāng)汽車的中央診斷接口用于系統(tǒng)漏洞的診斷。域控制器可被用作中央網(wǎng)關(guān)與本地智能傳感器、執(zhí)行器和ECU之間的網(wǎng)關(guān)，在以太網(wǎng)和CAN或LIN之間編譯和傳遞信息。

中央網(wǎng)關(guān)將承擔(dān)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全的主要責(zé)任。中央網(wǎng)關(guān)檢驗(yàn)來自合法源的消息，并保護(hù)身份驗(yàn)證不受欺騙，將網(wǎng)絡(luò)通信限制到預(yù)定義的正常范圍內(nèi)，限制異?；蜻^多消息的通信，以避免損害車輛的功能。它還需要阻止未經(jīng)批準(zhǔn)的非法消息，并對無效嘗試給出警告。這可以大大提高整車的網(wǎng)絡(luò)安全性，并顯著降低車載域控制器的安全功能負(fù)載。

車載以及后端架構(gòu)

未來，汽車車載系統(tǒng)以及云后端架構(gòu)之間將會有越來越多的交互。兩者可以通過WIFI或者高帶寬的5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。處于對安全以及自動駕駛功能的需求，車輛需要具備與外界信息進(jìn)行交互的能力，如周圍車輛、新一代基礎(chǔ)設(shè)施、天氣、道路信息以及實(shí)時(shí)高精度地圖等。由于汽車的軟件算法以及基礎(chǔ)的硬件算力會受到一定程度的限制，隨著數(shù)據(jù)量的加大，對不斷變化的場景以及駕駛條件做出實(shí)時(shí)分析與決策的難度會逐漸增加，所以未來汽車越來越多地需要與高處理能力的后端（比如云端服務(wù)器）進(jìn)行交互，以獲取駕駛場景下的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)。

汽車功能安全性

所謂的“功能安全”，就是通過安全功能和安全措施來避免不可容許的功能風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)總稱。功能安全（Function Safety）的“功能”指的是監(jiān)控受控對象和控制器的安全裝置起的作用。通常我們將計(jì)算機(jī)作為安全裝置，如果控制器發(fā)生故障，則該計(jì)算機(jī)將會關(guān)閉受控對象，并向用戶發(fā)出危險(xiǎn)警告。安全裝置所實(shí)現(xiàn)的這種安全性作用，被稱為“功能安全”。功能安全可以說是通過使用計(jì)算機(jī)等的安全裝置所設(shè)計(jì)出的安全措施。

汽車行駛關(guān)乎乘客的生命安全，安全也是汽車設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的第一要義。每個(gè)行業(yè)都有所對應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來約束產(chǎn)品的最低性能。汽車行業(yè)所采用的ISO26262標(biāo)準(zhǔn)是從電子、電氣及可編程器件功能安全基本標(biāo)準(zhǔn)IEC61508派生出來的，主要定位在汽車行業(yè)中特定的電氣器件、電子設(shè)備、可編程電子器件等專門用于汽車領(lǐng)域的部件，旨在提高汽車電子、電氣產(chǎn)品功能安全的國際標(biāo)準(zhǔn)。ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)是針對汽車電子電氣系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，使用 ASIL 來指定相應(yīng)器件必需符合的可接受的駐留風(fēng)險(xiǎn)級別的安全性需求，涉及汽車電子電氣系統(tǒng)的整個(gè)安全生命周期及其管理過程，其最終目的便是確?！鞍踩?，避免因汽車電子電氣系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的不合理風(fēng)險(xiǎn)。

隨著數(shù)據(jù)連接和車內(nèi)通信的使用越來越多，車輛愈發(fā)容易受到惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊。智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的威脅風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)可能有：惡意攻擊者可以利用 CAN 總線廣播機(jī)制，實(shí)施數(shù)據(jù)包竊聽、偽造及數(shù)據(jù)重放等?？梢越俪?ECU 設(shè)備制造廠商的訪問機(jī)制，對源代碼進(jìn)行逆向破解，對芯片內(nèi)固件代碼進(jìn)行提取、篡改、分析等操作。

由于汽車電動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢，特殊的多場景使用狀態(tài)和研發(fā)、生產(chǎn)、使用、維修、報(bào)廢全生命周期的現(xiàn)狀，相較于傳統(tǒng)的信息安全體系，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的信息安全研究方向需要解決：如何進(jìn)行高可靠的入侵檢測和防護(hù)，防止對車輛控制單元的直接控制造成生命財(cái)產(chǎn)方面的損失；如何保障復(fù)雜通信環(huán)境信息安全，提升車輛的防護(hù)能力。這將是未來汽車功能安全研究的重點(diǎn)方向。

消費(fèi)者對汽車安全特性和軟件功能的需求正以前所未有的速度增長。這種趨勢使得汽車的電子電氣架構(gòu)正在從分布式電子控制器單元 （ECU） 轉(zhuǎn)向集成度更高的域控制器。汽車對計(jì)算能力和存儲能力的要求也越來越高。以域控制器為代表的電子電氣框架可以提供更快速，更安全，更可靠的數(shù)據(jù)處理和能源分配能力。帶有域控制器的未來汽車平臺可以輕松利用云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及OTA升級等最新技術(shù)。強(qiáng)大的多核處理能力、專用的車載嵌入式操作系統(tǒng)、創(chuàng)新的電子電氣架構(gòu)以及高帶寬的通信能力是未來域控制器架構(gòu)汽車的基本組成要素。

隨著域控制器的出現(xiàn)，汽車的智能化演進(jìn)越來越迅猛。隨著圖二所示汽車電子架構(gòu)的集中化進(jìn)程，未來最理想的狀態(tài)是，汽車能夠擁有一個(gè)整車計(jì)算平臺——中央大腦。中央域控制器可能會成為一臺計(jì)算機(jī)的形態(tài)，其中最核心的難點(diǎn)會來源于汽車的操作系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)需要同時(shí)跟上層的軟件應(yīng)用、底層的硬件資源進(jìn)行銜接。因?yàn)槠嚨淖撚?、智駕域、動力域、車身域等幾大“域”對操作系統(tǒng)的需求其實(shí)并不一致。比如座艙系統(tǒng)對于屏幕的色彩處理和渲染要求比較高，而智駕功能則對系統(tǒng)的安全要求特別高。目前還有沒一種芯片或者一個(gè)嵌入式的硬件平臺，既有高算力能夠支撐豐富圖像處理，又有高性能、高存儲，同時(shí)還具有非常豐富的IO接口。

從域控制器到中央大腦

除了硬件層面的挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)的軟件產(chǎn)業(yè)鏈也面臨著重構(gòu)的可能。軟件能力愈發(fā)成為產(chǎn)業(yè)鏈玩家的核心競爭力。而主，機(jī)廠對軟件能力的集中把控，可能會帶來產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)系的重建。任何行業(yè)變革的伊始，總是伴隨著利益的沖突與規(guī)則的破立，在這場由ECU消亡引發(fā)的變革里亦是如此。域控制器的出現(xiàn)，只是一個(gè)中場戰(zhàn)事?？梢源_定的是，汽車的“中央大腦”形態(tài)變革，以及背后的智能汽車時(shí)代話語權(quán)爭奪，會讓汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的各種玩家前赴后繼，未來十年汽車行業(yè)一定會發(fā)生天翻地覆的大變革。

審核編輯 ：李倩