1.1 汽车电子与软件架构发展背景

近几十年来，汽车工业与电子技术不断融合发展，孕育出了汽车产业链中的一个重要细分类别——汽车电子，成为汽车技术领域中最活跃、最具革命性的技术方向。

1.汽车电子的分层

汽车电子逐渐发展出两类产品方向：一类是需要与机械电气结构耦合工作的汽车电子控制装置，用来完成发动机、传动、底盘和车身电子控制，典型系统有内燃机的燃油喷射控制系统、变速器控制、电机驱动控制、制动防抱死控制、电子控制悬架、电子动力转向等；另一类是为驾驶员或车内乘员提供信息支撑的汽车电子信息装置，包括信息娱乐系统、导航系统、人机交互系统和车载通信系统等。

在面向机电耦合的电控技术方面，随着传统内燃机汽车在电控技术上日渐成熟，且由于能源和环境的制约，电动汽车得到了政府和行业广泛的支持，其实现形式包括纯电动、混合动力（包括插电式和增程式）和燃料电池动力系统，电动化成为汽车技术发展的一个重要趋势，汽车电子在动力系统控制中的变革体现为被控对象的变化，被控对象变成了电机驱动、电池管理、电能变换、燃料电池控制等，电子控制技术的覆盖面大大拓展，其实时性需要进一步提高，且功率电子也成为汽车领域的核心技术。

在车载信息技术方面，随着信息技术向汽车中的深度渗透，出现了两个非常引人注目的趋势：一个趋势是以服务驾驶员及车内乘员为目的，其表现形式为智能座舱，是以视觉、声音、触感等形式进行高级人机交互，并将汽车打造成家庭和办公室之外的第三空间；另一个趋势是以辅助和代替人类驾驶员为目的。传统车辆驾驶是以驾驶员作为车辆控制核心，这种系统架构越来越受到人对于复杂环境下大量信息感知和高带宽响应的限制，同时，人的注意力集中度、驾驶技能和心理素质等方面也存在不确定性，给安全、高效的驾驶带来深远影响。以高级别智能驾驶技术辅助甚至代替人类驾驶，已经成为技术演进的必然趋势。

车载信息的智能化和动力系统的电动化使得汽车电子系统架构出现了明显的分层，即上层为高算力信息处理层，下层为高实时性嵌入式控制层，如图1.1所示。

图1.1 汽车与交通云、能源网的融入

面向物理系统的控制层成为汽车电子的一个核心的功能分类，控制层仍基于传统的嵌入式系统，以分布性、实时性、可靠性为主要特征，管理着汽车上的各种传感器、执行器和电力电子部件。

此外，传统燃油车在能量流动链中是能量流动的终点，而电动汽车将成为一种移动式、分布式储能设施，更加深度地融合进全新的能源互联网，增加其作为能量流动中继环节的作用。借助移动式分布式储能的属性与V2G技术，电动汽车体现了能源互联网的核心特征。

而在智能网联的电动汽车时代，车辆越来越多地需要被动接收或主动发现来自外界的信息，这就要求面向信息的汽车电子体系具备复杂环境感知的能力。环境感知是指利用传感器融合等技术来完成对于车辆周围环境，包括车流信息、车道状况、附近车辆速度信息、行车标志信息等的认知模型建立，对环境的感知和判断是智能车辆工作的前提和基础，感知系统获取周围环境和车辆状态信息的实时性和稳定性，直接关系到后续决策的成败。为了应对复杂的车辆行驶环境和天气状况，需要在车辆上安装多种类型的传感器，并使用信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除冗余，加以互补，获得被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统的快速性和正确性。

另外，由于接入互联网，汽车也从一个信息孤岛变成了网络终端，V2X技术被认为是可以满足车联需求的一种技术手段，面向车路一体的交通网络开始成型。

2.分层结构下汽车电子技术演化与架构的形成

汽车的电动化带来了“三电”（电池、电机、电控）关键零部件，这些零部件的机电耦合程度要低于传统的内燃机动力，但电信号种类更多、更加复杂且多变，因此对具有更大通用性、更高处理能力的控制器的要求越来越迫切，零部件配置单独的电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）——分布式的汽车电子系统架构这一典型模式逐渐走向功能复杂的动力、底盘的一体化控制。

信息体量的增大、传输环节增加，无疑给车辆的信息处理能力、对车辆进行运动学控制的能力以及向用户反馈信息的能力提出了更高的要求。在电动化动力系统上面向信息的汽车电子体系中，需要具有更强大的信息处理能力和反馈通道，算力更强的基于高性能片上系统（SoC）构建的域控制器（Domain Control Unit，DCU）集中控制策略将逐步取代基于微控制单元（MCU）的多ECU分布式控制方式，最后向以超强算力的中央处理器为核心的中央计算架构演化，以完成人车交互、车辆自动驾驶和车路协同控制等复杂功能。

传统的车载通信仅仅局限在车内通信，底盘与动力控制采用CAN总线，车身电子采用LIN总线及蓝牙和WiFi等无线通信方式，完成的仅仅是车辆内部信息的传输，但是针对智能网联化的电动汽车，车载通信模式需要从低速向高速发展，将与互联网技术兼容的以太网技术引入汽车就成了顺理成章的思路，对以太网的车载化改造成为一个重要的技术趋势。V2X的通信范围从车内向车际通信甚至广域通信的方向扩展，这就要求面向信息处理的汽车电子系统需要同时具备车辆基础设施通信（V2I）、车际通信（V2V）和人车通信（V2P）等能力，V2X要求有极短的网络接入时间、低传输时延和高带宽、高传输可靠性，且由于车辆是高速移动的，因此V2X要求在有限的时间和空间范围内可以实现频谱再利用。同时，信息传输环节的增多、对象的拓展，很大程度上也增加了信息泄露的风险，需要有一个完整的网络安全机制保障智能网联汽车的信息安全和驾驶员和乘员的隐私保护。

借助多种类的传感器和V2X通信，车辆及用户可以接收到更多的信息。借助域控制器和云控平台，汽车可以存储和处理信息的容量大大增加，借助抬头显示（HUD）和中控大屏等新型智能设备，用户与车辆进行信息交互的方式更加多元。例如，以T-Box（Telematics Box）为代表的新型车载智能终端将通过云服务平台与手机App连接，大大提升用户操作的便利性；云控基础平台将为云控模块提供数据支持，共同参与车辆的智能决策，形成“车-路-云”一体的信息深度融合解决机制；而交通云则通过无线通信网络和路边单元为车辆的信息处理层赋能。

如上所述，传统的汽车电子信息装置面向控制功能，完成信息采集、处理和反馈的简单闭环，已经无法适应结合了智能网联技术的电动汽车发展要求，汽车电子系统被赋予越来越多的信息处理功能，信息处理层逐渐从汽车电子系统中凸显出来，成为举足轻重的新功能。因此，随着汽车电子技术在硬件上如何向高算力域控制器及中央计算平台发展，通信上如何向以太网宽带通信发展，软件和硬件如何逐渐分离，如何开发和管理越来越大型化和复杂化的软件……这些问题的尝试和解决，共同孕育了一个面向驾驶信息处理及一体化控制的汽车电子和软件体系架构。