1.引言

Classic AUTOSAR是經過驗證并在全球廣泛應用的行業標準，過去二十年來一直是車載軟件開發的重要基礎。該標準從針對特定微控制器的標準化嵌入式軟件組件的理念發展而來，目前幾乎100％的車輛都采用了該標準。Classic AUTOSAR標準涵蓋廣泛的應用領域，從控制簡單的車內溫度傳感器到對安全至關重要的線控轉向系統，再到具有實時處理功能的復雜駕駛員輔助軟件，是汽車中間件的首選。

隨著軟件定義汽車 (SDV) 概念的興起，汽車軟件的開發方式正在發生轉變。從以往依賴嵌入式開發和V模型的傳統流程，逐步邁向持續集成、持續部署、持續測試 (CI/CD/CT) 以及更加靈活高效的敏捷開發方式。在整個生命周期中，現代汽車需要不斷接收軟件更新、新功能、錯誤修復和安全補丁。所有這些都需要經過測試，才能最終推廣到車隊。與此同時，現代數字化車輛所需的軟件數量不斷增長，而所有軟件的開發都必須在預算范圍內按時完成。

“左移”理念[1]描述了這一變革趨勢——將大量測試環節向軟件在環 (SiL) 測試遷移，以減少對復雜、昂貴且資源有限的硬件在環 (HiL) 測試的依賴。通過虛擬方式完成數百萬公里的測試（而非使用昂貴的測試車隊），并在開發早期發現車載軟件問題，能夠顯著縮短產品上市時間并大幅降低開發成本。

“左移”解決了汽車軟件面臨的主要挑戰：

軟件數量和復雜性不斷增加

軟件開發高度依賴硬件

多供應商協同開發的需求

ECU虛擬化和軟件在環測試正在成為汽車行業掌握車載軟件的關鍵能力。汽車制造商對整個供應鏈日益增長的需求印證了這一趨勢，供應商在交付真實ECU的同時提供虛擬ECU已成為新常態，且該趨勢正在向更深層次發展。全新的電子/電氣架構開發早在硬件或芯片可用之前就已啟動，利用即將推出的芯片組和架構的完全虛擬化模型，最終實現硬件與軟件的解耦，以充分利用軟件定義汽車的優勢。

Elektrobit是AUTOSAR軟件的領先供應商，與Molex（汽車行業公認的應用、軟件和硬件供應商）和 Synopsys（仿真工具的行業領導者）共同開發了完全虛擬化的軟件開發和測試工作流程。 將“左移”理念應用于Molex商業無線充電軟件平臺可加快開發時間，提高測試代碼覆蓋率，并顯著提升開發人員的體驗。

Molex無線充電平臺

Molex開發并生產了一款車載手機互聯應用平臺，包括無線充電、NFC通信和以及手機與車載天線的耦合功能。 該平臺支持CAN FD、診斷和電源管理器等汽車接口，可根據汽車制造商的特定需求進行定制。

Molex平臺符合Classic AUTOSAR標準，使用Elektrobit的EB tresos AutoCore作為底層汽車中間件。 在Classic AUTOSAR術語中，Molex平臺被稱為軟件組件 (SWC)，而EB tresos AutoCore則是基礎軟件 (BSW)，二者共同構成運行在手機互聯ECU中央處理器上的固件包。

圖1.無線充電ECU的軟件架構

Elektrobit “EB tresos AutoCore” 中間件

EB tresos AutoCore Generic (ACG) 是EB tresos系列產品之一。EB tresos產品系列為ECU開發提供高效、可擴展且符合AUTOSAR標準和OSEK/VDX標準的產品。EB tresos包含ECU基礎軟件 (BSW)、單核/多核操作系統、功能安全和信息安全解決方案以及配置工具。

Elektrobit提供的ACG基于兼容AUTOSAR分層架構，且包含與硬件無關的基礎軟件模塊和運行時環境 (RTE)。ACG與包含MCAL和操作系統等硬件專用模塊的板級支持包 (BSP) 相結合，構成了實時ECU基礎軟件的完整解決方案。

Synopsys Silver

Synopsys Silver是一個虛擬ECU平臺，使開發人員能在個人電腦上完成ECU軟件測試等開發任務，而以前這需要測試平臺或測試車輛才能進行 [2]。在Silver仿真環境中運行的虛擬ECU是針對主機電腦編譯的，從而能夠實現高效且易用的開發與調試。該平臺兼容MATLAB/Simulink等常用仿真工具及標準，并提供汽車網絡仿真層。為了實現基于AUTOSAR的軟件架構的無縫切換，Silver還集成了豐富的AUTOSAR MCAL及AUTOSAR實時操作系統仿真環境。

2.Molex ECU平臺

Molex正在將無線充電平臺引入其他芯片組。盡管AUTOSAR在設計上遵循硬件無關標準，但在實際項目中仍存在部分硬件依賴性。比如特定芯片組的硬件特定功能需要用到復雜的設備驅動 (CDD)，操作系統里也可能包含一些硬件相關的功能。因此，遷移會影響整個軟件棧，包括Molex應用程序以及Elektrobit的底層汽車中間件 (Classic AUTOSAR)。

Molex在此遷移項目中面臨五大挑戰：

尚無可用硬件

硬件測試裝置昂貴且不可擴展

基礎軟件配置難以測試

測試覆蓋范圍有限

測試速度僅限于實時

尚無可用硬件

硬件可用性方面存在多重限制因素，一種是微控制器本身不可用，另一種是包括外設在內的ECU電子設備不可用。二者都可能成為開發項目的限制因素。新設計通常采用最新一代芯片來實現最新功能，并盡可能延長集成電路的可用時間。最初這些組件僅作為工程樣品提供，且數量非常有限。ECU的電子板本身也需要經歷開發過程，包括原型硬件和不同樣品階段，在整個開發過程中生產的數量同樣非常有限。

在本項目中，Molex平臺將改用新一代微控制器?？捎玫脑u估板數量有限。新ECU的電子設計進度更為滯后，因為它仍處于硬件設計階段。硬件可用性顯然是這一平臺遷移項目的瓶頸。

硬件測試裝置昂貴且不可擴展

專用實驗室測試裝置需要昂貴的硬件和軟件組件，如邏輯分析儀、調試器、可控電源等。這些測試臺需要專門設置和維護，而且由于其原型特性，容易出錯。通常這些設備僅在特定地理位置提供，且數量極為有限。并不是每位開發人員都能使用這些測試平臺，或者需要提前很長時間預約才能使用該設備。當與合作伙伴共同開展項目時，這一可擴展性問題會變得更加嚴重，因為測試裝置涉及需要在不同公司之間共享的A、B 或C樣品。

基礎軟件配置難以測試

該項目的基礎軟件配置使用了4萬多個參數，運行環境承載了38個互聯的軟件組件，這些組件還與其他ECU上運行的組件進行通信。這導致平臺團隊需要投入大量精力來維護汽車制造商規格和變體的基礎軟件配置。因此，團隊經常會遇到因配置參數設置錯誤、任務優先級問題或啟動和集成代碼問題而導致的問題。由于目前沒有支持基礎軟件 (BSW) 與應用層軟件 (SWC) 獨立測試的配置，因此很難重現錯誤條件，且無法測試基礎軟件所有必要的內部狀態。

測試覆蓋范圍有限

由于軟件測試采用以硬件為中心的方法，且測試裝置的可用性有限，因此在每次分支集成時只能執行較低比例的測試。 在這種情況下，回歸錯誤可能無法被發現，而驗證團隊往往要到流程后期的主線完整測試運行時才能檢測到這些問題。開發團隊希望更早地獲得反饋，并在分支合并回主分支之前運行更高比例的測試。

圖2. 平臺軟件開發人員的測試裝置

Molex平臺開發團隊的目標是將這些由變更引起的回歸減少到接近零，使每個開發人員始終能夠自行運行完整的測試套件，從而在開發過程中節省大量成本和時間。

測試速度僅限于實時

硬件裝置上的測試必須實時運行；通常需要在多個裝置上通宵運行，才能在第二天早上獲得測試結果。然而，隨著測試用例數量不斷增加，有時甚至一個晚上也無法完成一輪完整的測試。這就形成了一個盲區——即在測試結果尚未出爐時，新的軟件開發工作卻已展開。

Molex與Elektrobit和Synopsys共同啟動了ECU虛擬化項目，以支持其無線充電平臺向新芯片組的遷移，應對傳統開發流程的挑戰，并充分發揮虛擬化的核心價值優勢。

3.Classic AUTOSAR的ECU虛擬化原理

虛擬ECU是ECU的模型，可以用來在仿真環境中測試其軟件。虛擬ECU的優勢在于其易于設置、可擴展性強，并可在故障注入場景中提供開箱即用的支持。虛擬ECU是軟件在環測試工作流程的基礎。根據虛擬ECU所需的保真度和測試覆蓋范圍，用戶可以選擇四種不同的虛擬化級別，如圖3所示。

圖3. ECU虛擬化級別

本案例研究采用三級虛擬化技術[3]，基于Synopsys Silver虛擬ECU平臺實現。該平臺采用主機編譯方式，將軟件編譯為能在仿真環境中本地運行的程序，極大降低了運行時資源消耗，從而提高了執行效率。三級虛擬化涵蓋了與硬件無關的基礎軟件和應用程序的正式代碼。根據測試需要，微控制器抽象層、復雜設備驅動程序和操作系統等硬件專用模塊將被仿真等效模塊或或樁模塊替代。應用程序組件則由測試樁替代。

三級ECU虛擬化特別適用于加速基礎軟件中硬件無關功能的測試周期，例如診斷通信、基于信號的CAN通信和模式管理。

4. 在Molex平臺項目中部署虛擬ECU

由于AUTOSAR基礎軟件采用分層架構，除MCAL和操作系統外的所有模塊都與硬件無關，無需任何改動即可在虛擬ECU中重復使用。工作流程包括以下部分：

虛擬化基礎軟件棧

應用程序與復雜設備驅動的樁模塊化

創建虛擬ECU構建環境

基礎軟件虛擬化流程如圖4所示。無線充電ECU的起點是目標硬件（即32位微控制器）的配置項目。集成商使用EB tresos Studio為其配置和生成代碼。為了支持虛擬ECU，需額外安裝一個板級支持包（含適用于Synopsys Silver的MCAL與操作系統插件，如紫色框所示）?，F在，用戶可以將配置項目遷移到Synopsys Silver，形成圖右側所示的項目設置。

圖4. 基礎軟件虛擬化工作流程

如圖5所示，EB tresos Studio的項目資源管理器中現在顯示兩個ECU配置項目可用。 第一個項目（tresos-project-nextgen）包含微控制器的目標項目，而tresos-pro-ject-nextgen-vecu則包含通過遷移步驟從前者衍生而來的虛擬項目。對于所有與硬件無關的模塊，兩個項目中的模塊及其配置完全相同。 而MCAL模塊（如下面截圖中的CAN）則有所不同。不過，配置已從目標項目導入到虛擬項目。

圖5. EB tresos Studio中的目標和虛擬項目

完成第一步后，所有帶有AUTOSAR接口的應用軟件組件都將被樁模塊替代，測試框架可以輕松控制這些樁模塊，以確保軟件正常啟動，并觸發測試所需的測試邊界情況。

最后一步，即構建配置，需要調整多個Make文件，以便使用具有適當設置的本機編譯器進行構建，確保虛擬ECU中重復使用正確的文件。

5. 使用ECU虛擬化

引言中強調了ECU和嵌入式軟件開發項目中常見的五大挑戰：

尚無可用硬件

硬件測試裝置昂貴且不可擴展

基礎軟件配置難以測試

測試覆蓋范圍有限

測試速度僅限于實時

通過這個參考項目，Molex、Elektrobit和Synopsys將ECU虛擬化確立為核心技術，并引入全新開發流程來應對這些挑戰。

可擴展的虛擬測試臺（帶加速功能）

Molex虛擬ECU現已投入使用，實現了“從硬件在環 (HiL) 到軟件在環 (SiL)”的遷移。圖6展示了測試裝置以及通過添加虛擬ECU作為被測設備對現有Molex測試裝置的擴展。虛擬測試臺可提供ECU的數字與模擬輸入/輸出信號，這些信號以虛擬ECU信號形式呈現，并能像變量一樣被訪問。SiL仿真可選擇連接到一個或多個真實ECU，以運行混合測試臺。當需要驗證部分仍處于早期設計階段的系統時，此類混合配置尤為實用。

圖6. 測試框架可通過切換配置從虛擬ECU切換到真實ECU

在純虛擬執行模式下，虛擬測試臺中的每個參與組件都與Synopsys Silver生成的仿真時間同步，Synopsys Silver將仿真分割成可配置時長（通常為毫秒級）的宏步驟。這樣，在仿真復雜到主機無法以實時速度執行的情況下，就能以加速因子執行仿真，縮短測試運行時間，并確保行為的一致性。

升級后的設置可通過Synopsys虛擬CAN總線及虛擬傳感器/執行器信號，復用現有Molex測試框架與測試用例，完成無線充電ECU的驗證。

圖7所示為Synopsys Silver的圖形用戶界面。左側項目區域為仿真中所有模塊的列表。 右中部的主SiL區域為可用于顯示和修改仿真中的信號和數值（本例中為診斷請求內容和車速）的部件。 右下角區域為用于配置模塊和仿真的選項卡列表。在下面的截圖中，我們可以看到仿真的性能指標，如當前的加速因子。

圖7. Synopsys Silver中的仿真

由于接口開放，Synopsys Silver具備高度可擴展性，可兼容多種行業標準工具。例如，如圖8所示，其總線監控模塊支持通過Wireshark捕獲虛擬網絡流量。利用這些功能，用戶能夠監測虛擬網絡的流量，并分析各參與組件的行為。

圖8. Wireshark中的CAN FD流量

由于虛擬ECU是本地Windows二進制程序，因此可以使用gdb和Visual Studio Code等標準工具進行調試、跟蹤和覆蓋范圍檢測，就像其他Windows應用程序一樣。堆棧跟蹤和觀察點等功能開箱即用，且無需額外成本。

提高測試深度和頻率

通過該虛擬ECU測試環境，平臺團隊現在能夠不依賴硬件驗證車輛軟件，且無需更改任何測試代碼。這在以前是無法實現的。只需調整測試配置，現有的測試用例就能與虛擬ECU而非實際ECU進行交互。 這顯著節省了開發時間，因為同一套測試用例現在可同時適用于虛擬ECU和真實ECU。虛擬測試裝置可供所有開發人員使用，并可根據需要在環境中進行設置。 在開發電腦上進行本地設置與集成到自動化CI/CD/CT管道和其他基礎設施中一樣簡單。為項目添加新成員不再需要漫長的購買和硬件設置過程。

通過將虛擬ECU集成到持續構建和持續測試管道中，平臺團隊現在能夠在每次合并驗證時執行測試，使他們能夠切換到穩定分支工作流程。這是持續交付工作流程的先決條件。

總之，虛擬ECU和SiL測試的引入意味著開發人員可以在幾分鐘內驗證新功能。團隊現在可以用更少的資源、更快的速度開發出有價值的功能和錯誤修復。全棧測試（包括閃爍和性能評估）仍然需要在HiL環境中進行驗證。不過，與以前相比，系統集成團隊在HiL環境中修復錯誤的時間節省了50%以上。新的SiL工作流程有助于Molex確保軟件在更早的時間點達到更高的成熟度，從而加快產品上市時間，同時降低開發成本。

6. 虛擬化技術解鎖軟件定義汽車

要滿足汽車行業客戶的需求，提高創新速度和加快產品開發至關重要。在嵌入式軟件開發過程中利用虛擬化技術，是實現軟硬件解耦的關鍵，這不僅可以在芯片流片前階段就開始軟件開發，還可以使整個組織和全球各地的所有開發人員和部門都能使用測試裝置。

對Molex平臺實施ECU虛擬化（目前已投入使用的商業解決方案），為了解汽車行業對虛擬化的期望和要求以及日常使用中的實際經驗提供了寶貴的洞察。

該項目歷時4周，團隊僅專注于Classic AUTOSAR的三級虛擬化，以生成Molex解決方案的主機編譯虛擬ECU。 Synopsys Silver被用作虛擬ECU仿真工具，并用作與目前用于測試真實目標的現有Molex測試框架連接的接口。虛擬ECU構建工作流程與真實目標硬件的構建工作流程無縫集成，以簡化工作流程的維護，并使開發人員能夠輕松利用虛擬ECU的優勢。所需的主要工作包括對現有Molex平臺的分析，以及虛擬ECU的初始構建，該構建需要替換MCAL（微控制器抽象層）并對CDD（復雜驅動器）進行樁模塊化處理。

本案例研究展示了虛擬化概念與現有Classic AUTOSAR平臺的成功集成，建立了統一的工作流程來構建真實和虛擬目標，并將其無縫集成到單一測試框架中。通過在軟件開發工具箱中添加三級虛擬ECU，Molex無線充電項目可以更快地讓新開發人員上手，在本地電腦上執行AUTOSAR基礎軟件配置測試，并且能夠脫離稀缺的開發硬件獨立開展工作。該團隊擁有更便捷的汽車軟件開發體驗，就像本地Windows或Linux應用程序開發一樣，無需昂貴的硬件即可實現更強大的調試和跟蹤功能。通過全虛擬裝置，調試變得更加容易；設置斷點時會暫停整個測試臺，使開發人員能夠分析仿真中每個節點的狀態。軟件功能現在可以在虛擬環境中進行驗證，甚至可以在系統層面進行驗證。

虛擬ECU與真實ECU配置比較：

表1. 虛擬ECU與真實ECU測試對比A

只有有效控制汽車電子電氣架構固有的復雜性，才能實現將軟件打造為核心競爭力的軟件定義汽車。實踐證明，虛擬ECU在汽車軟件開發的加速、自動化和規?；矫姘l揮著至關重要的作用。 充分運用“左移”理念，有助于大幅提升嵌入式系統軟件開發的效率與現代化水平，為實現軟件定義汽車奠定堅實基礎。

關于作者

Wolfgang Thieme

系統與云解決方案產品管理總監

Elektobit Automotive GmbH

Simon Durr

虛擬化首席架構師

Elektrobit Automotive GmbH

Marcus Sch?fer

運輸創新解決方案部工程師

Molex GmbH

Stefan Thiel

嵌入式軟件和系統首席產品經理

Synopsys Inc.