面向汽车电子的装配式软件开发模型及关健技术研究

摘要

随着经济和社会的发展，人们对汽车的安全性、舒适性、燃油经济性等方面提出了更高的要求，来自汽车功能和开发成本、上市周期各方面的压力，汽车电子软件的开发面临着越来越大的挑战。传统汽车电子软件垂直型开发模式已经成为严重阻碍快速发展的瓶颈，越来越难以应对当前汽车产业蓬勃发展带来的快速高效开发需求，探索复杂汽车电子软件开发方法的新变革成为当前汽车电子软件领域亟待解决的问题。汽车电子软件标准的不断推出和日益广泛的应用，给汽车电子行业带来了冲击。软件标准理论体系日益成熟，当前主要的焦点已经从探索理论架构转移到提炼工程方法和提供解决方案。本文针对传统汽车电子软件开发流程面临的挑战，结合汽车电子软件国际标准的发展趋势，提出了面向汽车电子领域的装配式软件开发方法SmartV，并对该方法涉及的若干关键技术问题进行了深入的研究。本研究主要集中在以下五个方面：
　　 ⑴面向汽车电子的装配式软件开发方法SmartV的研究。提出了该方法的两个基础理论模型，开发流程的“基于标准化组件的分布式集成模型”和软件架构的“基于标准化组件的层次化软件模型”。
　　 ⑵SmartV方法的开发流程和管理模式研究。在面向领域的软件标准背景下，从软件工程方法论的角度，基于流程模型和架构模型，对传统汽车电子领域的垂直开发V模型左端流程做了改进，提出了针对标准架构的分散开发统一装配的新模式。在需求分析之后，即进入水平分散开发和配置状态，利用标准化的接口和大量基础软件的重用，实现分布式的组件配置和装配集成，并结合多项自动化生成技术，大大提高了汽车电子复杂控制系统的开发效率和产品质量。
　　 ⑶支持SmartV的应用系统快速原型验证方法研究。本文提出了针对标准化组件操作系统的时间自动机模板，在需求细化阶段可快速实例化灵活构建基于OS的汽车电控系统原型并进行形式化验证，为SmartV方法的分散开发过程预先提供了一个快速原型，降低了系统开发风险和错误成本。
　　 ⑷支持SmartV的目标系统性能优化技术研究。通过对关键标准组件操作系统任务模型的改进，优化了系统上下文切换的时间消耗；通过对中断机制的改进，改善了中断响应和延迟时间。基础组件操作系统的性能优化，为实施SmartV方法的目标系统的最终性能提供了基础保障。
　　 ⑸支持SmartV方法的汽车电子软件平台研究。本文在SmartV方法的理论基础上，开发了支持SmartV方法的软件平台SmartSAR，基于SmartSAR平台研制了汽油发动机控制系统SmartEMS，该系统是国家十一五核高基重大专项和省科技厅重大专项的关键研究内容之一。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图目录

表目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 嵌入式软件与汽车电子概述

1.3 汽车电子软件的发展趋势

1.3.1 传统的开发模式遭遇严重瓶颈

1.3.2 标准化的软件理论体系日益成熟

1.3.3 基于标准的可重用软件亟待积累

1.4 研究意义和内容

1.5 本文贡献

第2章 研究基础和现状

2.1 汽车电子软件开发方法综述

2.1.1 软件开发流程模型的演变

2.1.2 MDA方法及相关项目

2.1.3 车用实时操作系统

2.1.4 形式化验证方法

2.2 当前汽车电子软件开发遵循的主要标准

2.2.1 欧系标准

2.2.2 美系标准

2.2.3 日系标准

2.3 AUTOSAR标准的现状分析

2.3.1 AUTOSAR标准的目标

2.3.2 AUTOSAR标准的内容

2.3.3 当前研究和应用情况

2.3.4 AUTOSAR发展趋势

2.4 本章小结

第3章 面向汽车电子的装配式软件开发方法SmartV

3.1 SmartV的开发思想

3.1.1 SmartV的设计目标

3.1.2 SmartV的体系结构

3.1.3 SmartV的设计流程

3.2 SmartV的流程模型-分布式集成模型

3.2.1 虚拟连接抽象

3.2.2 综合集成框架

3.3 SmartV的体系模型.层次化软件模型

3.3.1 低耦合的分层组件模型

3.3.2 标准化软件组件性能优化

3.4 本章小结

第4章 SmartV方法的开发流程和工程结构

4.1 SmartV方法的形式化定义

4.1.1 系统需求模型定义

4.1.2 软件组件模型定义

4.1.3 模型映射规则定义

4.1.4 配置参数语法定义

4.2 SmartV的建模与转换过程

4.2.1 系统建模转换及描述文件生成

4.2.2 软件组件建模及描述文件生成

4.3 SmartV的配置与集成过程

4.3.1 系统配置

4.3.2 ECU配置

4.3.3 代码集成

4.4 基于SmartV的资源库重用

4.4.1 基础软件组件库

4.4.2 开发工具组件库

4.4.3 应用软件组件库

4.5 本章小结

第5章 支持SmartV的快速原型验证问题

5.1 基于时间自动机的形式化验证

5.2 OS的时间自动机模型

5.2.1 调度机制的TA模型

5.2.2 任务机制的TA模型

5.2.3 定时机制的TA模型

5.2.4 事件机制的TA模型

5.2.5 中断机制的模拟

5.2.6 TA模型的使用

5.3 应用系统验证和调试

5.3.1 发动机ECU软件抽象建模

5.3.2 验证和调试

5.4 本章小结

第6章 支持SmartV的自动化实现问题

6.1 工具的自动生成

6.1.1 ECU配置参数说明

6.1.2 配置数据结构分析

6.1.3 工具自动生成过程

6.1.4 生成效率分析

6.2 代码的自动生成

6.2.1 模板文件

6.2.2 分类代码生成

6.2.3 参照MISRA C的生成

6.3 文档的自动生成

6.3.1 文档生成流程

6.3.2 各文档定义

6.4 本章小结

第7章 支持SmartV的实时性优化问题

7.1 AUTOSAR/OSEK OS的时间性能问题

7.2 OS任务模型的改进

7.2.1 传统的任务切换过程

7.2.2 改进的任务模型

7.2.3 优化的调度策略

7.2.4 实验结果分析

7.3 OS中断模型的改进

7.3.1 传统方法和相关工作

7.3.2 可预测中断机制模型

7.3.3 算法实现和开销分析

7.3.4 实验结果分析

7.4 本章小结

第8章 支持SmartV的平台和应用实例

8.1 支持SmartV的平台-SmartSAR平台

8.1.1 实时操作系统SmartOSEK OS

8.1.2 基础软件SmartSAR BSW

8.1.3 运行环境SmartSAR RTE

8.1.4 集成开发环境SmartSAR IDE

8.1.5 可重用资源库SmartSAR LIB

8.2 SmartV应用实例-SmartEMS

8.2.1 基于SmartV的发动机ECU软件设计

8.2.2 测试仿真实验和台架运行结果

8.3 本章小结

第9章 总结与展望

9.1 本文总结

9.2 未来工作设想

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

攻读博士学位期间参与项目情况

作者简历