传统的汽车电子电气架构都是分布式的（如下图2-1），汽车里的各个ECU都是通过CAN和LIN总线连接在一起，当代汽车里的ECU总数已经迅速增加到了几十个乃至上百个之多，全体系统繁芜度越来越大，几近上限。在本日软件定义汽车和汽车智能化、网联化的发展趋势下，这种基于ECU的分布式EEA也日益暴露诸多问题和寻衅。
图2-1 汽车分布式EEA
为理解决分布式EEA的这些问题，人们开始逐渐把很多功能相似、分离的ECU功能集成整合到一个比ECU性能更强的处理器硬件平台上，这便是汽车“域掌握器（Domain Control Unit，DCU）”。域掌握器的涌现是汽车EE架构从ECU分布式EE架构演进到域集中式EE架构（如图2-2所示）的一个主要标志。
域掌握器是汽车每一个功能域的核心，它紧张由域主控处理器、操作系统和运用软件及算法等三部分组成。平台化、高集成度、高性能和良好的兼容性是域掌握器的紧张核心设计思想。依托高性能的域主控处理器、丰富的硬件接口资源以及强大的软件功能特性，域掌握器能将原来须要很多颗ECU实现的核心功能集成到进来，极大提高系统功能集成度，再加上数据交互的标准化接口，因此能极大降落这部分的开拓和制造本钱。
对付功能域的详细划分，各汽车主机厂家会根据自身的设计理念差异而划分成几个不同的域。比如BOSCH划分为5个域：动力域（Power Train）、底盘域（Chassis）、车身域（Body/Comfort）、座舱域（Cockpit/Infotainment）、自动驾驶域（ADAS）。这也便是最经典的五域集中式EEA，如下图2-2所示。也有的厂家则在五域集中式架构根本上进一步领悟，把原来的动力域、底盘域和车身域领悟为整车掌握域，从而形成了三域集中式EEA，也即：车控域掌握器（VDC，Vehicle Domain Controller）、智能驾驶域掌握器（ADC，ADAS\AD Domain Controller）、智能座舱域掌握器（CDC，Cockpit Domain Controller）。大众的MEB平台以及华为的CC架构都属于这种三域集中式EEA。
图2-2 域集中式EE架构
域掌握器市场概述2018年，基于德尔福供应的域掌握器技能，奥地利TTTech公司开拓的zFAS掌握器率先运用在奥迪A8当中。伟世通公司则推出了SmartCore域掌握器，集成信息娱乐、仪表板、信息显示、HUD、ADAS等功能。这些产品首创了商用功能域掌握器产品之先河，环球各大Tier 1供应商纷纭跟进，全体域掌握器市场逐渐发展起来。
在海内市场，华为、德赛西威、航盛电子、东软等企业也推出了DCU办理方案，并得到了海内车企的采取。比如，2020年小鹏汽车推出的智能轿跑P7就采取了德赛西威基于英伟达Xavier打造的自动驾驶域掌握器产品——IPU03。
当前，全体业界对DCU市场都有非常乐不雅观的预期。据佐思产研的预测，2025年环球汽车DCU（座舱+自动驾驶）出货量将超过1400万套，2019-2025期间年均匀增长高达50.7%。
图2-3 环球域掌握器市场预测
全体汽车行业普遍认为，域掌握器是汽车电子行业未来竞争门槛最高的部分，因此利润也最高，芯片厂商和核心算法供应商将会受益。
(一) 域掌握器市场快速增长背后的驱出发分
更多更好的ADAS功能和智能座舱与信息娱乐功能一贯是推动域掌握器市场快速增长的紧张成分，这些新功能能明显提高整车的科技感和用户体验，因此也是主机厂开拓新车型时的投入重点。L1到L2+级别之间的ADAS运用是这几年景长非常快，很多功能都正在快速遍及，比如：停车赞助、车道偏离预警、自适应巡航、碰撞避免、盲点侦测、驾驶员疲倦探测等。
域掌握器须要一颗性能更强、集成度越高的主控处理器来作为其大脑，更多原来通过分离ECU实现的功能现在可以放到域主控处理器上来实现，也因此就能更加节省功能域里所需的ECU用量和其它硬件资源。更高的集成度可以更主机厂供应链管理实现ADAS域控和干系零部件平台化和标准化的哀求。
(二) 对域掌握器供应链的影响
汽车E/E架构的演进和发展，也深刻影响了主机厂和汽车电子供应商的供应关系。主机厂的核心竞争力从以前的机器制造为主，全面转向软件和算法为重点。估量未来整车厂与Tier 1供应商之间将可能有两种互助模式：
其一，Tier 1卖力域掌握器硬件设计和生产，以及中间层Middleware软件部分。整车厂卖力自动驾驶软件部分。Tier 1的上风在于以合理的本钱将产品生产出来并且加速产品落地，因此整车厂和Tier 1进行互助生产办法是一定，前者卖力自动驾驶软件部分，后者卖力硬件生产、中间层以及芯片方案整合。这种模式下，在项目立项时，整车厂又可能跨过Tier 1直接与芯片厂商确定方案的芯片选型。其二，Tier 1自己与芯片商互助，做方案整合后研发中心域掌握器并向整车厂发卖，例如大陆ADCU、采埃孚ProAI、麦格纳MAX4等。
2.1 智能座舱域掌握器
座舱智能化的本色是基于汽车驾驶舱中的人机交互场景，将驾驶信息与娱乐信息两个模块进行集成，为用户供应高效的、直不雅观的、充满未来科技感的驾驶体验。智能座舱的设计诉求紧张是用于提升用户的驾乘体验，同时还要担保用户驾乘的安全性和舒适性，终极实现汽车作为人们事情和家庭场景以外的第三生活空间这一终极目标。
智能座舱域包括HUD、仪表盘（Cockpit）和车载娱乐信息系统（In-Vehicle Infotainment，简称IVI）三个最紧张的组成部分。
HUD是非常实用的功能，将ADAS和部分导航功能投射到挡风玻璃上，诸如ACC、行人识别、LDW、路线提示、路口转弯提示、变道提示、剩余电量、可行驶里程等。HUD将很快会演化为AR HUD，在L3和L4时期成为标配。
进入L3时期，驾驶员状态监测（Driver Status Monitor，DMS）将成为必备的功能，包括：面部识别、眼球追踪、眨眼次数跟踪等将引入机器视觉和深度学习算法。而L4时期则必备V2X（Vehicle to everything）。
其余，多模态交互技能的发达发展将会极大改变用户与汽车的交互模式。基于语音识别功能的语音交互技能越来越遍及，常用于跟IVI系统的交互操作。进一步还能通过语音来对驾驶员进行感情状态剖析。当DMS系统检测到驾驶员昏昏欲睡时，系统可以通过播放音乐或者开释喷鼻香味来唤醒驾驶员；基于多场景下的汽车座舱多模态交互技能未来一定会重新定义人机交互技能的发展。
所有这些智能座舱新技能的发展，都将推动对座舱域打算资源需求的暴增。
智能座舱域掌握器领域，环球Tier 1厂商紧张包括：博世、大陆汽车、哈曼、伟世通和Aptiv（安波福）等。中国本土企业紧张有德赛西威、航盛和东软睿驰等。
表2-1 环球紧张座舱域掌握器厂商信息
2.2 ADAS域掌握器
ADAS域掌握器常日须要连接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达等传感器设备，要具备多传感器领悟、定位、路径方案、决策掌握、无线通讯、高速通讯的能力，要完成包含图像识别、传感器数据处理等诸多功能，因此要完成大量运算，域掌握器一样平常都要匹配一个核心运算力强的处理器，能够供应自动驾驶不同级别算力的支持，目前业内有NVIDIA、华为、瑞萨、NXP、TI、Mobileye、赛灵思、地平线等多个方案。
自动驾驶技能目前是环球科技行业最前沿的方向。L1到L2+级别的赞助驾驶技能和功能已经日趋成熟，搭载ADAS功能和运用的很多车型开始进入大规模量产。可以遇见L1/L2级别ADAS功能的市场渗透率将快速提升，而L3/L4级别自动驾驶系统仍处于小规模原型测试阶段。
当今的自动驾驶行业，中国市场绝对是主力。今年中国L2的搭载量估量打破80万，中国品牌霸占绝大部分份额。未来中国市场ADAS功能的渗透率还将持续快速提高，中低端汽车所配置的ADAS功能将逐步增多。根据艾瑞咨询研究报告显示，估量2025年ADAS功能在乘用车市场可以达到65%旁边的渗透率。L3级别的高速自动领航HWP功能和L4级别的AVP自动停车功能，目前车型渗透率较低，未来提升空间较大。
图2-4 中国ADAS功能市场渗透率预测
ADAS域掌握器正在从过去的分布式系统架构演化到域集中式架构。过去一套ADAS系统，要有好几个独立的ECU才能实现，比如车道偏移和交通识别ECU、前向碰撞预警ECU、停车赞助ECU等。现在有了功能强大的集中式ADAS域掌握器后，一个域掌握器就实现了所有功能。系统的软硬件繁芜度大大降落，可靠性也得到了提高。
目前业内供应ADAS域控芯片平台的有NVIDIA、华为、瑞萨、NXP、TI、Mobileye，以及海内本土的地平线和黑芝麻等多个方案。下表2-2总结了环球紧张ADAS域掌握器厂商及其客户和伙伴信息。
表2-2 环球紧张ADAS域掌握器厂商信息
域掌握器发展趋势域掌握器的兴起对传统的汽车MCU厂商造成了极大的寻衅，“由于MCU利用量将大大减少，传统的MCU产品其演进路线将不复存在”。
在分布式ECU时期，打算和掌握的核心是MCU芯片，传输的根本核心是基于传统的CAN、LIN和FlexRay等低速总线。但在域掌握器时期，高性能、高集成度的异构SoC芯片作为域的主控处理器，将成为域掌握器的打算与掌握的核心芯片。而汽车TSN（Time-Sensitive Network）以太网由于具有高带宽、实时和可靠的数据通信能力等特点，必将成为整车通信的核心根本举动步伐，尤其是域主控处理器之间的通信主干网。
下面我们来大略剖析一下域掌握器以及核心的主控处理器的一些关键技能和趋势。
3.1 高性能
总的来说，对算力的需求提升一贯是域掌握器核心芯片发展的紧张推动力。一方面原来由多个ECU完成的功能，现在须要依赖单一的域主控处理器来完成，并且还须要管理和掌握所连接的各种传感器与实行器等。比如：底盘、动力传动系统和车身舒适电子系统的域主控处理器，其算力需求大约在10000DMIPS-15000DMIPS旁边。
图2-5 汽车域掌握器对CPU DMIPS算力的需求预测
新的智能汽车，除了要更多的与人交互外，更须要大量的对环境进行感知，这就须要打算和处理海量的非构造化数据，因此座舱域和自动驾驶域都哀求高性能的CPU，比如就座舱仪表的CPU算力而言，它实在跟一部高端智好手机的CPU算力差不多，约为50000DMIPS旁边。此外，为了支持L2赞助驾驶功能或者更高等别的自动驾驶功能，须要运行很多视觉DNN模型算法，这就又额外须要上百TOPS的AI算力。
以是，各芯片厂商总是会只管即便利用更前辈的制程工艺、更前辈的CPU核于与NPU核来只管即便提高域主控芯片的CPU核心性能与NPU性能。
3.2 高异构性
伴随着AI技能在视觉领域的运用，基于视觉的自动驾驶方案逐渐兴起，这就须要在CPU的根本上加装善于视觉算法的GPU芯片，从而形成“CPU+GPU”的办理方案。
不过，“CPU+GPU”组合也并非最优办理方案，由于 GPU 虽然具备较强的打算能力，但本钱高、功耗大，由此又逐步引入了FPGA和 ASIC 芯片。
总体来看，单一类型的微处理器，无论是 CPU、GPU、FPGA还是ASIC，都无法知足更高阶的自动驾驶需求，域掌握器中的主控芯片会走向集成“CPU+xPU”的异构式 SoC（xPU 包括 GPU/FPGA/ASIC等），从而能较好的支撑各种场景的硬件加速需求。
3.3 高集成度
从功能层面上，域掌握器会整合集成越来越多的功能。比如动力系统域可能把发动机的掌握、电机掌握、BMS、车载充电机的掌握组合在一起。有些主机厂乃至直接一步到位，将底盘、动力传动以及车身三大功能域直接整合成一个“整车掌握域（Vehicle Domain Controller，VDC）”。
要支持这些功能的整合，作为域掌握器的大脑，域主控处理器SoC就须要集成尽可能多的接口类型，比如：USB、Ethernet、I2C、SPI、CAN、LIN以及FlexRay等等，从而能连接和管理各种各样的ECU、传感器和实行器。
3.4 硬件虚拟化
对硬件虚拟化技能的须要紧张来自两方面：（1）硬件资源的分区与隔离；（2）支持稠浊安全等级。
原来须要多个ECU实现的多个功能都整合到域掌握器上后，势必会导致域掌握器的软件更为繁芜，这势必会导致全体软件系统的出错概率增加、可靠性低落。而且多个运用稠浊运行在同一个操作系统上，常常会涌现故障传播（Failure Propagation），也便是一个运用涌现问题后，会使得全体系统底层软件和硬件都处于紊乱状态，从而导致其它原来正常的运用也会开始涌现故障。因此通过硬件虚拟化技能对硬件资源进行分区（Partition），使得各个功能对应的软硬件之间相互隔离（Isolation），以此担保全体系统的可靠性。
另一方面，在汽车电子系统中，常日不同的运用其对实时性哀求和功能安全等级哀求都不同。例如，根据ISO 26262标准，汽车仪表系统与娱乐信息系统属于不同的安全等级，具有不同的处理优先级。汽车仪表系统与动力系统密切干系，哀求具有高实时性、高可靠性和强安全性，哀求运行在底层实时操作系统上（比如QNX）。而信息娱乐系统紧张为车内人机交互供应掌握平台，追求多样化的运用与做事，以Linux和Android为主。为了实现稠浊安全等级的运用，实现不同的操作系统运行在同一个别系上，这就须要虚拟化技能的支持。
车载硬件虚拟化技能的核心是Hypervisor，它是一种运行在物理做事器和操作系统之间的中间层软件，可以许可多个不同虚机上的操作系统和运用共享一套根本物理硬件。当系统启动时，首先运行Hypervisor，由它来卖力给每一台虚拟机分配适量的内存、CPU、网络、存储以及其它硬件资源等等（也便是对硬件资源进行分区），末了加载并启动所有虚拟机的客户操作系统。
一句话总结一下基于Hypervisor的优点：它供应了在同一硬件平台上承载异构操作系统的灵巧性，同时实现了良好的高可靠性和故障掌握机制, 以担保关键任务、硬实时运用程序和一样平常用场、不受信赖的运用程序之间的安全隔离，实现了车载打算单元整合与算力共享。
3.5 ISO 26262功能安全
功能安全是汽车研发流程中非常关键的要素之一。随着系统繁芜性的提高，来自系统失落效和随机硬件失落效的风险日益增加。ISO 26262标准制订的目的便是更好的规范和标准化汽车全生命周期中的功能安全管理和哀求，包括：观点阶段、系统研发、硬件研发、软件研发、生产和操作过程、售后等环节，尤其重点在产品设计阶段如何定义和实现功能安全的目标。
载汽车功能安全标准ISO26262-5 2018 “产品开拓：硬件层面附录D”中对处理器单元的诊断覆盖率推举的安全技能方法中，双核锁步(dual-core lockstep)、非对称冗余和编码打算是三种范例的硬件冗余技能方法。除此之外，硬件BIST、软硬件Self-Test技能、ECC等也是常见的提高处理器安全特性的设计方法。
图2-6 ISO26262标准中的功能安全芯片设计技能
双核锁步CPU是一种CPU冗余技能，在一个芯片中包含两个相同的处理器，一个作为master core，一个作为slave core，它们实行相同的代码并严格同步，master可以访问系统内存并输出指令，而slave不断实行在总线上的指令（即由主处理器获取的指令）。slave产生的输出，包括地址位和数据位，发送到比较逻辑模块，由master和slave总线接口的比较器电路组成，检讨它们之间的数据、地址和掌握线的同等性。检测到任何总线的值不一致时，就会创造个中一个CPU 上存在故障，但不会确定是哪个CPU故障。
这种CPU架构使得CPU自检独立于运用软件，不须要实行专门的指令集自检，实际运行的软件指令在每个时钟都进行比较，只须要测试软件用到的CPU资源，但这种架构不会对内存和总线进行检测，须要增加单独的检测方法以避免两个CPU的共模故障。
3.6 网络卸载引擎
汽车网络会存在多种通信总线。骨干网未来势必会基于TSN以太网来构建，但是从域主控处理器到ECU或者传感器之间的通信则仍旧是基于传统的车载低速总线，比如：CAN、FlexRay等。域主控处理器作为域掌握器的核心，是所有ECU和传感器通信的汇聚中央。因此如果要依赖CPU的算力来完身分歧总线间的协议转换，以及跨域通信的网络包处理的话，势必会占用宝贵的CPU算力资源。
因此基于硬件来实现网络协议转换处理的网络卸载引擎，对付各个域（包括中心网关）的域主控处理器是非常主要的技能。
3.7 Security引擎
连接性（Connectivity）是汽车智能化发展的一个很主要的趋势，未来的汽车一定会像本日的手机一样随时保持连接到互联网中。因此如何阻挡未经授权的网络访问，以保护汽车免于受到黑客的攻击，对未来的智能汽车而言就会变得极为主要。下一代硬件安全模块（Hardware Security Module，HSM）正在成为下一代车载网络通信的主要根本举动步伐之一。
HSM对付完备的安全车载通信（Secure Onboard Communication，SecOC）是必不可少的。HSM能确保所吸收到的数据的真实性，防止攻击者绕过干系的安全接口，入侵车载网络。
基于硬件的安全模块紧张办理两个问题：
密钥泄露问题：如果密钥存储在运用程序的代码或数据中，很随意马虎被泄露。以是有必要增加一个硬件模块，专门存储密钥。Crypto算法加速：通过内核来直接进行加密或解密运算会占用大量CPU算力资源。因此，有必要通过硬件模块来进行加密解密算法的加速。SHE（Secure Hardware Extension）标准是由奥迪和宝马公司互助制订的、针对硬件安全模块HSM的规范，它紧张包括密码模块的硬件、硬件软件接口。这个规范已被广泛接管，很多针对汽车行业的微处理器都支持这个规范。
3.8 面向做事的软件架构SOA
ECU原来运行的软件大多数是按照Classic AutoSAR规范开拓的软件系统，个中的运用软件一样平常都是静态调度（Static Scheduling）模式的，也即在系统运行时，程序中不同功能的函数按照事先定义好的排序文件依次调用、逐个运行。静态调度的优点是资源分配问题都是事先安排好的，车辆量产后就不会再改变，每个功能对应的函数代码详细运行韶光也被提前锁定，是确定性的。因此这种设计对付汽车上很多对功能安全哀求苛刻的场景是非常适宜的。比如：决定安全气囊是否打开的功能函数便是固定地每隔几毫秒运行一次，以便紧急情形下可以及时打开。
承载打算和掌握的底层硬件从分散的多个ECU集中到多核、异构的高性能域主控处理器后，相应的软件也会从分散向集中、从大略向繁芜、从静态向动态进化。下图2-7显示了往后汽车域掌握器上的范例软件架构：
图2-7 域掌握器上基于空分虚拟化技能的范例软件架构
操作系统层：最底层利用Hypervisor虚拟化技能对硬件资源进行分区(partition)，从而可以在每个虚机运行不同的操作系统。比如在上图中，虚机VM1中运行兼容POSIX实时操作系统标准（比如PSE 52）的RTOS，RTOS上常日要承载功能安全干系的运用和做事；虚机VM2中运行Linux这种完备POSIX标准的分时操作系统，上面常日运行管理干系的功能和做事；虚机VM3中运行的可能是原来在ECU上运行的Legacy运用。中间件层：操作系统是不做任何与“车”特定干系事情的。为了让域主控处理器在汽车场景下利用，须要有很多软件或者中间件用于让域掌握器知足汽车的电源管理标准、网络管理标准以及诊断标准等；车载域掌握器须要比一样平常工业嵌入式系统有更高的可靠性哀求，这样就须要在打算机OS根本上再附加对存储和通讯等各方面的安全保护和容错机制；同时，位了让车载域掌握器能够在整车EE架构下运行，还须要供应时钟同步、日志跟踪以及做事管理和创造等功能。Adaptive AutoSAR规范定义了运行在Linux或者完备兼容POSIX 1003.1标准RTOS上的这一层与“车”干系的中间件标准；而传统运行在POSIX子集的RTOS或者BareMetal模式的中间件规范则由Classic AutoSAR标准定义。运用层：上层运用基于AutoSAR标准的中间件来进行开拓。随着汽车智能化和网联化干系的功能越来多，上层运用软件也越来越繁芜。位了降落单个运用的整体繁芜性，我们可以借鉴互联网的面向做事架构（SOA）的软件设计思想，将一个繁芜运用拆分多个做事。每个做事实现得尽可能小，只管即便实现成无状态办法的做事，以利于全体系统的开拓、测试和软件重用。做事与做事之间通过事宜或者总线（发布/订阅事情模式）来进行通信，并降落相互之间的耦合度。通过做事配置来管理做事之间的依赖性、做事的支配和启动，以及做事的康健状态检测等。
汽车以太网给车载系统通信带来一个革命性的变革，在中心打算式汽车EE架构下，全体车载系统可以被看作是一个分布式网络系统：中心打算平台是一个小型做事器集群，区域打算平台是边缘打算节点。在互联网或者大型分布式系统中，SOA架构设计理念已经被广泛利用了。因此当IP网络技能被广泛运用于汽车后，很多在互联网或者分布式打算中已经很成熟的软件技能，自然会被借鉴到新的汽车软件架构设计中来，比如：RPC技能、事宜/总线、RESTful API设计等。
大型互联网数据中央中的做事器集群动辄几百、上千台做事器，每秒百万、千万级别的并发。车载系统只管可以被看作是一个分布式网络系统，但是它却没有互联网大型做事器系统的高并发特色，相反，它更看重通信的实时性和可靠性。
车载系统在物理上是向集中式发展的，也便是原来通过多个分散ECU来实现的功能，逐渐集中到几个紧张的高性能域掌握器上。因此，只管在软件设计上，我们会只管即便按照SOA的思路拆分成一个一个小的做事，但是这些做事在支配上实在是集中式的。鉴于这种物理支配上的“集中”与运行时的“分布式”并存的特点，因此我们可以通过一系列技能手段来优化做事与做事之间的通信延迟（比如：通过共享内存技能）。这是车载分布式系统与互联网强调高并发特性的分布式系统之间另一个显著的差别。
小结域集中式EE架构会是未来相称长一段韶光占紧张地位的汽车EE架构，域掌握器作为域集中式EE架构的核心，会在全体汽车家当链中霸占越来越主要的地位。其相应的芯片和硬件方案、操作系统和算法等将会成为全体家当链各高下游厂家的争夺焦点。
