如今的汽車越來越智能化，無人駕駛亦非遙不可及，屆時人們只需要坐在車里休閑喝茶即可到達目的地。然而，在智能汽車的內部卻是人們察覺不到的密密麻麻的線路以及無處不在的電子起件在工作，這就是汽車的“大腦”——電子控制系統。正是這套越來越復雜的電子控制系統完成輔助甚至替換駕駛員的動作，實現對車輛運行狀態的監測與控制，使人們的出行更輕松、簡單、安全。

        一、汽車電子控制系統發展過程——由簡及繁回想七十年前的汽車，電子設備僅有起動機、電池、車燈等為數不多的幾個，四十幾根導線就可以滿足整車的電子部件需求。上世紀八十年代，隨著IT技術的發展，汽車業掀起一場電子電氣化浪潮，各種安全配置隨之誕生。搭載軟件系統的電子控制器開始在汽車上生根發芽。隨著控制器數量逐漸增多，不同控制器之間需要解決通信問題，CAN總線、LIN總線應運而生。2007年奧迪Q7和保時捷卡宴的線束總長度突破6km,不斷增加的線束長度以及越來越多的控制器給車企帶來巨大的成本壓力，隨后汽車電子控制系統開始向集中化發展。目前特斯拉Model S以及Model 3線束長度大約3km和1.5km。
        汽車各大系統的軟件功能逐年快速增長線束長度的變化從側面反映出汽車電子控制系統由簡及繁的巨大變化，軟件作為電子控制系統的重要組成部分，發展更趨于復雜化。

        二、汽車電子控制系統基本組成——傳感器、ECU、執行器

        1、電子控制單元（ECU，含軟件）。ECU是汽車電子控制系統的大腦，它對各個傳感器輸入的電信號以及部分執行器反饋的電信號進行綜合分析與處理，給傳感器提供參考電壓，然后向執行器發出控制信號，使執行器按照控制目標進行工作。
        軟件系統集成存儲在電子控制單元中，核心是微處理器，這種微處理器通常采用單片機，功能擴展容易，控制精度更高。完成數據采集、計算處理、輸出控制、系統監控與自我診斷等。

        2、傳感器是汽車電子控制系統的信息采集者，類似于人類的眼睛耳朵...它將汽車的各種物理參量轉變為電信號，并輸送給電子控制單元。

        3、執行器是汽車電子控制系統的執行者，類似于人類的手和腳，電子控制單元就是通過執行器實現對被控制對象的控制。執行器對電子控制單元輸出的控制信號做出迅速反應，使被控制對象工作在設定狀態內。

        三、汽車電子控制系統基本工作原理汽車電子控制系統事先將一系列的指令程序存儲在ECU中，這些指令程序在設計、制造時就已經確定，等待各個傳感器輸入信號。工作時，ECU將接收到的傳感器信息與存儲器內的“標準參數”進行比較，然后根據結果控制執行器采取相應動作。
        四、汽車軟件系統的開發過程隨著智能互聯、自動駕駛、電動汽車及共享出行的發展，軟件、計算能力和先進傳感器正逐漸取代發動機的統治地位。與此同時，這些電子系統的復雜性也在提高。以當今汽車包含的軟件代碼行數（SLOC）為例，2010年，主流車型的SLOC約為1000萬行；到2016年達到1.5億行左右。復雜性正如滾雪球般越來越高，不可避免地導致了與軟件相關的若干嚴重質量問題：這在近期若干起大規模車輛召回事件中屢有耳聞。根據ADAC（全德汽車俱樂部，德國最大的交通協會）統計，德國2004年有40%的車輛故障最終歸咎于軟件問題或電子部件故障。為此，必須在保證電子系統整體可控的前提下研發新功能，于是出現先拆解研發而后在集成的流程。
        先將電子系統研發拆解為軟件系統、硬件系統、傳感器和執行器四大部分，經過V模型流程研發，最終再次集成。這個V模型涵蓋了從系統層面到軟件層面以及集成后的功能測試和系統測試等流程，是當今汽車行業廣泛應用的開發流程。
        軟件開發流程：
        1.分析終端客戶需求、定義邏輯系統架構這一步是根據終端客戶的需求以及法規需求定義出整車軟件系統的邏輯架構。其中包含各大功能塊的定義，功能塊接口定義和功能塊之間的通信定義。這一步僅考慮滿足原始需求，不會涉及任何技術層面的具體分析。

        2. 分析邏輯系統架構需求、定義技術層面系統架構邏輯系統架構為定義具體的技術層面系統架構提供了基礎。在這一步中開始討論具體的技術問題，哪些功能將通過軟件實現、軟件塊分裝在哪些電子控制單元以及電控單元之間采用什么通信協議等等。軟件系統初現雛形。
        3. 分析軟件需求、定義軟件架構這里開始具體到電控單元中對于軟件本身的需求分析。根據需求，定義出合適的軟件架構。同時，還要考慮電控單元存儲資源的最優使用、為滿足安全法規的冗余系統設計等等。這里，會把軟件進一步細分為更小的軟件部件，定義各個部件之間的接口、分層和邊界。

        4. 定義軟件部件針對每個軟件部件會繼續定義出需求。這里的需求集中在功能層面，尚不考慮具體的軟件實現方式等。

        5. 設計、實現及測試軟件部件依據具體的需求，工程師開始分別搭建不同的軟件部件。在前面一系列的拆解、分析和定義后，終于抵達了軟件最核心最具體的世界——代碼。與人們熟知的程序員直接寫代碼稍有區別，傳統的汽車軟件研發采用的是基于模型開發。如下圖所示，邏輯運算通過模型的方式表達出來，相比于代碼更加直觀，便于日后的標定工作和維護。在一個電控單元中，有上千個這樣的功能函數，如下圖所示的功能模型組合到一起，會形成一份上萬頁的文件。這份文件是接下來所有流程的基礎。當然這套模型只是工程師之間便于交流的高級語言，最終它們會被人工或計算機轉為代碼進入控制器中工作。早年間，模型到代碼中間的轉換工作由人工完成。這造成的問題是，代碼無法統一化和標準化。面對一個軟件邏輯模型，程序員可以用多種方法完成代碼編譯工作，達到同樣的功能效果。但是，代碼運行所占用的硬件資源或嚴謹度會大不相同。因此，近年來轉碼工作逐漸被機器取代。軟件工程師事先定義標準的編譯規范，保證最終代碼統一和標準。
        每一個軟件部件完成后，要進行相應的軟件測試。這里還不會聚焦功能層面的測試，僅僅針對軟件本身。例如軟件中是否因設計不當產生死循環、每個信號定義的范圍是否恰當、會不會造成溢出錯誤或者會不會出現除以零的運算情況等等。針對這些，工程師要事先定義測試方案，由計算機進行全方位全覆蓋的軟件邏輯測試。例如，對于if, else語句需要把每一種可能的情況都測試檢查到。

        6. 集成及測試軟件部件單一軟件部件研發測試完成后，將它們集成到一起就形成了每個電控單元中完整的軟件包。這套軟件包在集成后依然需要測試，檢查各部件之間是否兼容，是否有開放接口等等。

        7. 系統集成及測試當軟件包集成測試結束，它們將被刷進每一個電子控制器中。每個控制器與相應的傳感器、執行器等用線束相連，最后控制器之間接通總線通信。這樣整套電子系統終于誕生。如新生兒一般，這套系統依然十分脆弱和稚嫩，還有很大的潛力等待被開發。
        系統集成后的第一批測試往往是問題重重。因為系統高度復雜，各個研發部件被分工研發，即便之前有嚴格的測試流程，仍會有許多漏網之bug。如果分工研發的各部門之間沒有在開發過程中充分交流，集成后可能會出現各類兼容性問題。針對每一個問題，工程師們都不會忘記前面提到的拆解和掌控。拆解表象問題，找到根源，修復軟件bug，掌控整套系統。

        8. 標定系統測試結束后將進入軟件標定階段，這也是軟件開發中的重要階段。在軟件實現階段，工程師會在軟件中預留一些可標定參數而不是固定的數值，等待標定。這是基于成本考量，車型繁多的整車廠不可能為每款車型單獨開發一套軟件系統。一般的解決方案是研發平臺軟件，適用于多款車型。然而每款車型都有自己的特點，平臺軟件無法讓這些特點發光，標定可以。通過改變不同的參數數值，可以讓車輛實現不同的駕駛性能，這也給了標定工程師很大的發揮空間。

        9. 系統測試及接受度測試標定完成后，就進入了整套流程的最終階段。依據流程一開始提出的需求，忽略那些具體的技術實現手段，站在整個系統的高度檢驗它是否達到了終端客戶的需求。到了這一步，整套軟件系統已經十分成熟。在正式進入量產前會從一個時間點開始，停止所有軟件和標定變更，為最終量產做準備。
        整套V模型走下來可以看到，左側和右側的每個環節相互對應。需求為定義測試方案提供基礎，而測試結果又會帶動進一步的開發和完善。你或許會問，如果從V模型的左上角好不容易一路走到右上角，結果最后一步測試發現當初第一步的系統構架出了設計問題，那豈不是為時已晚？難道還要一切重新來過？的確，軟件系統十分復雜，研發周期長。如果只是沿著V模型慢慢悠悠從左到右走一遍，等最后一步才發現問題，那確實一切都來不及了。因此，在實際研發中會持續不斷地集成、持續不斷地測試，工程師們會把V模型從左到右重復走許多遍。研發初期連原型車都還沒有的時候，軟件測試會依靠整車仿真系統在計算機中進行，發動機、變速箱、電子控制器、總線等都虛擬存在于工程師電腦中（SiL, Software in the Loop）。在仿真系統中，汽車可以如真實般開動，模擬各種工況提供給工程師測試。
        隨著車型研發推進，某些電子控制器研發完成，他們可以取代那些虛擬的電子控制器進入測試環境，但是其他部件仍為虛擬仿真（HiL, Hardware in the Loop）。直到有一天，原型車研發完成，軟件集成和測試進入試驗臺架。最終，原型車調試完畢落地，軟件測試進入實車階段。可以說，軟件開發的起始點非常早，從虛擬到現實一路走來，一直延續到最后的量產前夕。其實目的只有一個，通過不斷集成和測試，盡可能發現所有問題，保證汽車的駕駛性、舒適性和安全性。

        五、汽車電子軟件發展趨勢

        1、 ECU整合度將提升 早在去年，大眾就宣布力爭讓汽車上只有一個ECU。在一些供應商巨頭內部，確實也在這么做。特別是在ADAS和自動駕駛下，整合的ECU架構尤為重要。

        2、 ECU將承載更多的傳感器 未來汽車將需要更多的傳感器來感知環境，以及依靠傳感器來保證冗余設計。這對ECU的能力來說也是考驗。不過高級算法與機器學習的發展，有望取代一部分傳感器，減少傳感器數量。

        3、 汽車以太網發展長期以來，汽車ECU都是在一個封閉的網絡環境下。不過隨著智能汽車技術、物聯網的發展，很有可能會催生汽車以太網，實現跨域通信。不過如何保證功能安全，這將又是對汽車軟件的一大考驗。 數據量的提升、HAD的冗余要求、互聯環境下的安全保障，以及跨行業標準協議的需求很有可能催生汽車以太網，并使其成為冗余中央數據總線的關鍵助推因素。以太網解決方案可以實現跨域通信，并通過添加以太網擴展，例如音-視頻橋接（AVB）和時間敏感網絡（TSN）等，來滿足實時性要求。 本地互聯網絡、控制器區域網絡等傳統網絡將繼續在車輛上運用，但僅用于封閉式的低級網絡，如傳感器和執行器等。FlexRay和MOST等技術有可能被汽車以太網及其擴展（如AVB、TSN等）取代。

        4、整車企業會嚴控與功能安全及HAD相關的數據互連，但將為第三方訪問數據開放接口 發送與接收安全關鍵數據的中央互聯網關將始終直接且僅連接到整車企業的后臺，第三方會被允許進行數據訪問（被監管法規排除的場景除外）。然而，在車輛APP化的推動下，資訊娛樂系統的新興開放接口將允許內容和應用程序供應商加載內容，而整車企業將盡可能嚴格地保持各自的標準。目前的車載診斷端口將被互聯通訊方案取代。通過接入整車物理端口來讀取車輛數據不再必要，登陸車企后臺即可。車企將在其后臺開放若干數據接口，以滿足若干特定場景的需求，如失竊車輛軌跡追蹤或個性化保險等

        5、汽車將在云端結合車內及車外信息雖然非車企以外的企業參與程度仍取決于監管法規，非敏感數據（即非隱私或安全相關數據）仍然有望更多地在云端進行處理。隨著數據量的增長，大數據分析將被越來越多地應用于數據處理，并將基于數據處理結果制定相應的行動方案。
基于數據的自動駕駛的應用及其他各項數字化創新將依賴于不同企業之間的數據共享。當然現在仍然不清楚不同企業間的數據共享將如何實現、由誰實現，但主要的傳統供應商和技術企業已經開始建立有能力處理此種海量數據的集成化平臺。

        6、汽車將應用雙向通信的可更新部件通過車載測試系統，汽車可以實現自動檢查功能和集成更新，從而推動生命周期管理，以及增強或解鎖產品的售后功能。所有ECU都會與傳感器和執行器交換數據，并檢索數據包來支持創新性用例，如基于車輛參數的路線計算。OTA更新是HAD的前提條件，它還將有助于開發新功能、確保網絡安全，并使車企得以更快部署功能與軟件。事實上，正是OTA推動了本文提及的多項整車架構上的重大變革。為實現類似智能手機那樣的升級性，汽車行業須克服限制性的經銷合同、監管要求和安全與隱私問題等諸多挑戰。整車企業將與該領域的技術供應商密切合作，在OTA平臺上實現車隊標準化。車輛將在全壽命周期內獲取功能性及安全性升級。監管部門可能強制要求軟件維護，來確保車輛設計的安全完整性。更新和維護軟件的責任將在車輛維護與運行領域催生新業務模式。中國將成為汽車軟件及電子產業發展的新高地中國的整車行業在過去幾年取得了有目共睹的巨大發展。國產汽車行業的進展不僅體現在傳統能源汽車的研發及制造上，也同時體現在了諸如汽車電動化、共享化、互聯網化、無人駕駛化等所謂“新四化”上。國產汽車軟件及電子的發展，也會借此東風，不斷取得新發展。
        國內一些車企在上面軟件發展趨勢中也有所動作：ECU整合：比亞迪早前宣布在最新的e平臺上實現儀表、空調、音響、智能鑰匙等控制模塊10合1，使整車控制模塊線束大幅減少，降低模塊故障率以及提升生產裝配效率。
        汽車以太網：上汽集團早前推出了基于全新電子電氣架構的電動車平臺——Double E架構，核心亮點之一是采用了支持海量數據極速傳輸的以太網技術。
        整車廠商開放數據接口：比亞迪早前上線了汽車智慧開放平臺，并通過該平臺將車內信號封裝為數百個API。開放的API內容涵蓋車身、行駛數據、車速、全景、空調、雷達、充電設備等18類數據。
        云端數據處理：阿里巴巴推出的AliOS智聯網汽車解決方案，其一大亮點是充分發揮了阿里云在云計算、大數據和人工智能的優勢，借助阿里巴巴的生態能力，賦能合作伙伴更好探索“數據x智能”驅動的新型業務模式。
        OTA：上汽與阿里巴巴合作的斑馬智行在2017年底/2018年初完成對近40萬臺榮威/MG品牌乘用車的OTA升級，受到了業內極大關注，堪稱是智能汽車在華發展的標志性事件之一。汽車軟件和電子系統的新時代已經開啟。此前業內奉為圭臬的業務模式、客戶需求和競爭格局都將發生劇變。我們對即將產生的產值和利潤持樂觀態度。但若想從變革中獲益，汽車行業的所有參與者均應根據全新的環境，重新思考和謹慎定位（或再定位）自身的價值主張。

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