汽车电子/电气架构——实时系统的建模与评价

该书的核心内容是对在汽车电子/电气架构范围内的建模并进行评价，这不仅仅局限在汽车电子范围，还要进行汽车内部组件的替换，了解汽车上所使用的组件（电脑）和总线系统。该书的特点是在进行课题描述前作一个简介，然后再介绍汽车电子/电气发展的技术现状，并阐述在汽车上对时序系统进行实时评价的方法，它将作为汽车电子/电气发展设计流程中的一个有机组成部分和研究宗旨的一部分。该书适合于以下读者的参阅。1）想学习汽车电子/电气架构的读者。2）具有一定电子/电气架构知识，对软件和组件的时序评价和汽车网络感兴趣的读者。3）适用于电子、信息及其相关专业学习用教材。

前言
第1章绪论1
11价值链与企业的组织结构1
12产品的生产周期和研发周期6
121产品研发过程6
122OEM和供货商之间的
合作模式8
13汽车电气的发展史9
第2章汽车电子/电气架构
基础13
21电子/电气架构概述13
211电子/电气架构的
功能范围15
212功能/软件架构16
213网络架构17
214组件的拓扑架构21
215电子/电气架构的
评价指标23
22法律和标准对电子/电气
架构的影响26
23电子/电气架构的设计方案32
231以功能为导向的电子/
电气架构设计方案33
232集中控制的电子/
电气架构设计方案34
233以空间为导向的主/从电子/
电气架构设计方案35
234以模块为导向的电子/电气
架构设计方案36
24实时系统评价的概述37
25实时系统评价的方法39
第3章软件架构和软件研发41
31控制系统的软件架构42
311OSEK/VDX42
312AUTOSAR45
32软件研发53
33以模型为基础的功能研发55
34案例研究：软件的功能58
第4章电控单元和实时
计算机架构61
41电控单元的组成及其应用条件61
42计算机架构和可编程硬件63
43处理器组件67
431处理器核67
432数据通道67
433存储器的层次结构71
434中断76
435多核架构77
44CPU的外设组件80
45案例分析：电控单元的
替代架构82
451初始情况83
452研发团队84
453替代架构85
454组件汇编85
455替代架构的评价85
第5章通信基础91
51通信系统91
511CAN91
512FlexRay96
513LIN100
514基于以太网的通信102
52总线的配置107
521CAN总线的配置108
522FlexRay总线的配置109
523LIN总线的配置109
53安全应急通信110
54案例111
541CAN总线配置的案例113
542FlexRay总线配置的案例113
543网关的路由表113
第6章实时评价的术语和
参数115
61嵌入式分布式实时系统115
62术语的定义115
63事件模型118
631标准事件模型118
632AUTOSAR中的事件模型119
633CAN总线中的事件模型120
64偏置121
65实时评价的参数122
651软件评价的参数122
652通信系统评价的参数123
653嵌入式系统评价的参数125
第7章软件的实时评价128
71执行时间的分析确定128
711最坏情况执行时间分析129
712系统和程序分析的原则133
72执行时间的模拟确定134
73执行时间的测定135
74案例：软件执行时间的评价136
741可使用的工具链137
742执行时间的分析138
743执行时间的测定139
744所确定的执行时间的
比较140
第8章组件的实时评价142
81处理器调度和作业响应
时间分析142
82总线仲裁和信息响应
时间分析146
821CAN总线146
822FlexRay总线149
823LIN总线153
824以太网AVB154
83组件层面上的模拟159
84案例研究160
841在ECU层面上的分析160
842CAN总线的分析
（简化的）163
843CAN总线的分析
（复杂的）164
844FlexRay总线的分析166
845LIN总线的分析170
第9章嵌入式网络的评价172
91系统时间行为评价的
分析方法172
911在系统层面上
抽象的时间评价172
912实时演算180
913TA/S系统和RTC
的后续工作188
914带模型检查的自动
定时器190
92时间系统行为评价的
模拟方法194
93案例：系统层面上的
实时分析196
931案例1196
932案例2200
附录205
附录A整数线性规划205
附录B端子的标注和控制207
名词术语210
参考文献213

本书围绕汽车电子/电气架构这个主题逐步展开，重点是实时系统的建模及其评价，实时系统已经在汽车电气系统中得到了广泛应用。本书的书名涵盖着几个复杂的主题，它们相互关联不可分割。关于建模，一般理解为借助于一定的方法和工具，把一个抽象想法通过实施转化为一个具体的类型或形式，它们支持与文档一致的设计和设计结果。在这个背景下，这本书阐述了生产商与供货商、其他汽车制造商、法律部门和学术机构之间的设计流程和合作模式。在设计流程中存在着反复过程，因为必须要重复验证，想法、观念或实施是否满足最初的要求，因此就涉及这本书书名所提到的评价的概念，从而可以考虑更多可能的设计：一方面，想法或方案应该是优化标准，应考虑到系统成本、重量、功耗或尺寸；另一方面，对其运行功能进行评价，也就是当输入一个指令时，是否能输出一个相应的结果。和评价功能一样，时间的分析也起到了很重要的作用，因为对指令的反应不允许是一个任意的时间点，而应具有一个确定的时间间隔。在汽车电子/电气架构中，时间分析只是要处理的一部分。对客户来说，系统的时间行为是一个可以感受到的因素，因此，本书的难点是对时间特性的分析，重点是各个组件和网络的时间行为以及分布式嵌入式系统。在设计过程中的实际挑战是确定在哪个阶段对什么进行分析。在设计过程的初始阶段所需要的信息通常是匮乏的，为了获得对产品质量的确切要求，就需要知道产品的功能或时间特性，因此，在设计过程中需要反复进行分析，不断地进行细化处理，做出系统连续特性的连续文档，这些信息可以作为初始数据服务于新的研发。本书的核心内容是对在汽车电子/电气架构范围内的建模并进行评价，这不仅仅局限于汽车电子范围，还要进行汽车内部组件的替换，了解汽车上所使用的组件（电脑）和总线系统。在汽车上广泛应用的典型通信链路有自诊断功能、汽车网络系统、车载电器一体化以及V2X。随着传统网络系统的稳步发展和设计过程的细化，汽车与外部环境变化间的通信将成为今后发展的主题，这涉及动态网络系统，能够在任意时间建立和中断信息通信。在本书中介绍了网络内部中的抽象概念，尤其是汽车上网络架构中的抽象概念，为了理解这些抽象化的概念组建了形象化模型，这将在以后的章节中进行详细描述。本书的特点是在进行课题描述前做一个简介，然后再介绍汽车电子/电气发展的技术现状，并阐述在汽车上对时序系统进行实时评价的方法，它将作为汽车电子/电气发展设计流程中的一个有机组成部分和研究宗旨的一部分。本书适合于以下读者参阅：1）想学习汽车电子/电气架构的读者。2）具有一定电子/电气架构知识，对软件和组件的时序评价和汽车网络感兴趣的读者。3）适用于作为电子、信息及其相关专业学习用教材。对于这部分读者来说，本书在各个专业之间建立了一个纽带，例如操作系统、通信系统和网络式嵌入式系统，在这个背景下，本书将各个学科组合在一起，形成了汽车电子/电气架构。本书由以下章节组成：第1章是关于汽车领域的绪论，介绍了价值链和企业的组织结构、产品的研发过程、与外部企业间的合作模式以及汽车电气的发展史；第2章介绍了汽车电子/电气架构基础，解释了电子/电气架构中一些抽象的概念，介绍了不同的替代架构，给出了各种适宜的评估指标；第3章介绍了软件架构及其研发，介绍了操作系统和不同的标准，例如OSEK、AUTOSAR等；第4章介绍了电控单元和实时计算机控制结构，重点是电控系统的构建原则以及处理器、微控制器和外设组件；第5章介绍了通信基础以及适合在汽车上使用的通信系统；第6章介绍的是实时评价及其有关的概念、介绍了对系统时间特性起重要作用的典型的事件模型；在接下来的3个章节中将从不同方面对时间特性进行评价，第7章详细阐述了软件的实时评价；第8章阐述了在充分考虑各个处理器和总线仲裁下的实时评价的方法；第9章阐述了网络系统的评价方法。在此衷心感谢我们的同事！他们给本书提出了许多有益的意见和建议，使得本书能够顺利出版。尤其要感谢我们的家人！Melani和Konstantin、Berenike和Lorenz、Kilian，他们给了我们在工作上自由的空间，在困难的时期给了我们巨大的支持，使得这本书能顺利完成；感谢Springer出版社及其员工、Butz女士和Hellwig女士！他们在许多方面都给了我们无私的支持。
Thilo StreichertMatthias Traub斯图加特、慕尼黑2011年10月