ETAS Deterministic Middleware Solution (EDMS，前身為AOS)確定性中間件解決方案，是一個中間件框架，旨在面向汽車領域內應用程序的獨特挑戰和需求，尤其是在高級駕駛輔助系統 (ADAS)和自動駕駛 (AD)的背景下，為開發人員提供了創建高性能和高安全性應用程序所需的工具、運行時環境和集成能力。

圖1 EDMS確定性中間件解決方案概覽

一

中間件在汽車系統中的重要性

圖2 中間件在汽車嵌入式控制和計算單元中的位置

在當下汽車行業正在經歷一場變革，變得更加軟件驅動和互聯化。新型車輛由眾多的電子系統和應用組成，每個系統都有其特定的要求和功能。而中間件就提供了一種強大的凝聚力，允許這些不同的組件和諧的工作，簡化了開發流程，降低了復雜度，并有助于創建穩定可靠的汽車軟件。

除了實現不同軟件組件之間的平滑交互外，中間件還解決了安全性和實時性等關鍵因素。這些屬性在汽車領域內至關重要，軟件故障的后果可能會對車輛的安全和功能產生嚴重影響。

隨著汽車行業不斷接受技術進步和軟件驅動帶來的創新，中間件的作用變得更加重要。它是使汽車制造商和開發人員得以構建復雜和互聯系統的基石，同時確保現代汽車應具備的穩定可靠和高性能。

二

可用于汽車領域應用的中間件類型

在汽車生態系統中，存在著各種不同的使用場景和功能上的需求，而由此產生多種中間件解決方案也就不足為奇了。文中我們將主要涉及以下三種類型中間件解決方案：深度嵌入式中間件、多用途汽車中間件和特定域中間件。

圖3 汽車領域中間件調研

深度嵌入式中間件

(Deeply Embedded Middleware，例如AUTOSAR Classic)

深度嵌入式中間件為在資源受限的嵌入式系統上運行的軟件應用程序提供基礎服務。這種中間件的一個著名代表就是AUTOSAR Classic。AUSOSAR Classic被汽車行業廣泛采用，在深度嵌入式應用程序中幾乎無處不在。

AUTOSAR Classic專注于安全性和實時性應用。它提供標準化的接口、通信協議和數據管理機制。其主要優勢在于解決功能安全和網絡安全問題，同時在安全關鍵環境中實現ECU之間的有效通信和協調。

多用途汽車中間件

(General-Purpose Automotive Middleware，例如AUTOSAR Adaptive、Eclipse SDV)

多用途汽車中間件是為更廣泛的汽車領域用例而定制的，通常應用在更高規格的片上系統 (SoC)上。多用途中間件的典型代表包括AUTOSAR Adaptive、Eclipse SDV (軟件開發環境)和GENIVI。

AUTOSAR Adaptive是承接AUTOSAR Classic的更加靈活和可擴展的后續產品，面向高性能控制器和應用程序。它提供了廣泛的應用程序支持，包括調度、通信、診斷和更新管理。Eclipse SDV和GENIVI也提供多用途中間件解決方案，滿足各種汽車功能，并提供與不同軟件環境的兼容性。

特定域中間件

(Domain-Specific Middleware，

例如ETAS Deterministic Middleware)

對于專用領域的汽車功能，如高級駕駛輔助系統 (ADAS)和自動駕駛 (AD)，特定域中間件就有了用武之地。這些中間件針對特定用例進行了優化，并提供了有針對性的功能。

例如，EDMS確定性中間件旨在滿足ADAS/AD應用程序的需求，提供了一個具有執行控制、通信服務和數據日志記錄的運行時環境。EDMS中間件還包括用于開發和執行的工具，為ADAS/AD場景提供了一個全面的解決方案。此外其他的特定域中間件，還有例如用于AD軟件快速原型構建的ROS/ROS2，專注于滿足了汽車領域的特定需求。

三

不同域的應用場景依賴于不同的中間件

汽車應用跨越廣泛的域，每個域下都有獨特的要求和挑戰。而中間件解決方案就是為了有效地解決這些不同的應用程序域同時帶來的挑戰。

對于常規的車輛功能，AUTOSAR Adaptive等中間件提供了一套全面的服務，包括通信、診斷和軟件更新。這些中間件非常適合需要靈活性并可以在高性能微處理器上運行的應用程序。

在自動駕駛領域，特定域中間件 (如EDMS確定性中間件) 專為滿足ADAS/AD應用程序的獨特需求而定制。這些中間件為自動駕駛算法的開發和部署提供確定性執行、通信支持和相關工具。

監控功能，例如ADAS/AD算法的合理性分析，需要高安全性、實時性能力。AUTOSAR Classic等中間件解決方案擅長提供安全關鍵服務，可以確保不同應用程序之間安全交互。

隨著汽車行業的發展，多個中間件的集成也變得越來越重要，以滿足不同應用域的不同需求。

四

EDMS及SDK工具如何加速ADAS/AD開發

高級駕駛輔助系統 (ADAS)和自動駕駛(AD)技術的發展，亟需一種結構化和可迭代的方式，以確保充分驗證和持續改進。

AD循環是一個系統化的方法論，有助于逐步開發和驗證ADAS/AD功能。它包括了五個關鍵階段——設計開發，部署，構建，行駛/測量/記錄，回放和模擬。通過遵從AD循環，開發團隊的工作可以在每個階段中系統化的進行，確保ADAS/AD功能得到嚴格的測試、驗證和優化。

圖5 EDMS確定性中間件——軟件開發SDK工具包和AD循環

通過EDMS確定性中間件解決方案及軟件開發工具套件 (SDK)，能夠加速AD循環的各個階段，支持無縫開發、部署、執行和驗證ADAS/AD系統。

開發階段：使用YAAA設計軟件架構

在AD循環的開發階段，重點在于創建穩定和高效的軟件架構，使之構成ADAS/AD系統的基礎。EDMS SDK提供了一個強大的工具，YAML As Architecture (YAAA)，有助于設計軟件架構。

YAAA支持：

結構化建模：YAAA允許將復雜的系統分解為功能組件，促進清晰的體系結構設計。

組件詳細信息：YAAA捕獲了功能組件、通信接口、以及部署信息等基本細節。

集成版本控制：YAAA無縫的融入了當下基于Git的工作流程，有效的實施了架構即代碼 (architecture-as-code)

圖6 AD循環——開發階段

部署和構建階段：從硬件和OS層面進行抽象

在部署和構建階段，重點轉移到將軟件架構轉換為可執行代碼，并為后續部署做好準備。EDMS SDK工具將軟件從底層硬件和操作系統中抽象出來，從而簡化了此過程。中間件抽象層 (MWALA)確保Business Logics可以跨不同的中間件平臺運行，從而實現靈活的部署。

圖7 AD循環——部署和構建階段

行駛階段：通過EDMS中間件執行系統

在真實世界場景中執行ADAS/AD系統是AD循環的關鍵步驟。SDK工具通過與EDMS中間件無縫集成來支持該階段，以確保確定性執行。EDMS確定性中間件中System所表述的構想，包括Activity和Runnable，使得在行駛階段實現可靠和一致的行為。

圖8 AD循環——行駛階段

測量階段：記錄數據以實現可復現行為

為了確保可復現性和有效驗證，測量階段務必記錄系統執行的數據。EDMS SDK工具支持收集準確且詳細的數據，捕獲執行時間、激活間隔和數據流，這些記錄的數據對于后續的分析和驗證都是非常寶貴的。

圖9 AD循環——測量和記錄階段

回放和模擬階段：驗證和確認

回放和模擬階段側重于使用記錄的數據來驗證和確認ADAS/AD系統行為。RecAll工具在這一階段發揮著關鍵作用，RecAll允許對系統執行進行重新計算，支持用于調試和分析的確定性回放。該階段確保系統能夠按預期運行，并適用于各種場景。

圖10 AD循環——回放和模擬階段

五

EDMS確定性中間件的主要優勢

通過前文對EDMS及其開發工具的概括介紹，毫無疑問，這種綜合全面的中間件解決方案在塑造自動駕駛的未來方面會發揮出關鍵作用。實現確定性行為、處理高數據速率、滿足功能安全要求和利用確定性重新計算的優勢共同有助于開發安全、可靠和高效的ADAS/AD系統。

圖11 EDMS確定性中間件的優勢

在基于處理器的系統上實現確定性行為

EDMS最深刻的優勢之一是它能夠在基于處理器的系統上實現確定性行為。通過利用復雜的調度和通信機制，EDMS確保軟件組件的執行遵循一種可預測和穩定可靠的模式。這種確定性行為對于ADAS/AD等實時系統至關重要，其中精確時序和一致性能是首要的。

使用EDMS中間件處理高數據速率

現代自動駕駛系統生成并處理來自各種傳感器和數據源的海量數據。EDMS中間件構建在高效的零拷貝 (zero-copy) 通信框架上，擅長處理低延遲的高數據速率。這種能力對于實時決策和控制來說是至關重要的，使ADAS/AD系統能夠及時處理數據并對其做出反應。

通過支持ASIL-D滿足功能安全要求

安全在自動駕駛領域中至關重要，特別是在危及人類生命的環境中。EDMS的設計充分考慮了安全性，提供ASIL-D (汽車安全完整性等級) 支持。這意味著EDMS符合最高級別的功能安全要求，確保使用EDMS構建的ADAS/AD系統能夠滿足汽車行業要求的嚴格安全標準。

利用確定性重新計算進行測試和驗證

EDMS的另一個突出特征是其確定性重新計算 (Deterministic Recompute) 功能，目前由RecAll工具負責提供。此項功能允許精確復現系統執行，其意義對于測試、調試和驗證來說都極其寶貴。工程師可以追溯并分析特定場景，確保系統按預期運行，并有效地識別任何潛在風險問題。

六

EDMS確定性中間件的集成

不同中間件之間的交互需求

有關汽車嵌入式控制和計算單元的話題，通常都會涉及對多個中間件解決方案進行融合的討論，畢竟任一中間件都迎合特定的應用領域。隨著車輛變得越來越復雜和互聯，這些不同的中間件需要無縫的交互和通信。例如，執行合理性分析的監控應用程序可能需要與在特定域中間件上執行的ADAS/AD算法交互。

不同中間件之間的交互可以創建跨功能協作，增強數據交換，并更好的支持依賴于多個中間件解決方案各取所長的集成功能。這些交互的標準化機制對于保證兼容性、一致性和效率十分重要。

EDMS確定性中間件的一個顯著優勢在于它能夠與各種中間件解決方案集成，包括多用途的和特定域的中間件。通過利用中間件網關，EDMS允許不同中間件進行高效和標準化連接，促進具有不同需求和語義的應用程序之間的數據交換和通信。

下面列舉兩個具體用例來說明，EDMS的集成為開發人員提供了多種可能性：

1.與同一ECU上的其他中間件無縫交互，實現ADAS功能的確定性執行。

2.高效連接外部管理的數據池，例如來自硬件加速器 (HWA) 的數據，過程中無需數據復制。

1.AUTOSAR Adaptive和EDMS確定性中間件的交互

中間件集成的第一個例子展示了兩個不同中間件平臺的連接：AUTOSAR Adaptive和EDMS確定性中間件，這兩個中間件都在汽車系統中發揮著各自的作用，它們的集成也實現了增強協作和功能性。

此處創建了一個由用戶編寫的網關，該網關在AUTOSAR Adaptive和EDMS之間充當橋梁，促成兩個中間件平臺之間的通信和數據交換，允許它們各自的應用程序和服務之間的無縫交互。

圖12 EDMS與AUTOSAR Adaptive集成

2. 通過DMC集成外部數據

有效的集成外部管理的數據 (例如來自硬件加速器HWA的數據) 是一個典型的案例，而直接內存訪問連接 (Direct Memory Connector, DMC) 端口的引入，面向挑戰提出了十分便捷的處理辦法，實現在中間件運行時環境中直接而安全的共享外部存儲。

此示例中，EDMS確定性中間件使用DMC端口來連接外部管理的數據池。這種集成方案確保了確定性中間件可以訪問和利用來自HWA的數據，而無需進行不必要的數據拷貝，即零拷貝 (zero-copy)，從而達到提升性能和無縫數據交換的目的。

圖13 EDMS通過共享內存 (SHMEM)機制訪問外部數據

七

中間件集成的未來趨勢和探討

受眾多因素共同作用，汽車系統的中間件領域正在發生著重大變革：

多樣化生態系統：隨著汽車系統變得越來越復雜和互連，中間件解決方案的范圍可能會擴大，以適應不同的應用程序域和硬件架構。

異構集成：集成將涉及更廣泛的中間件解決方案，跨越安全關鍵、實時和多用途領域，導致復雜的混合架構。

AI和機器學習：人工智能和機器學習組件與中間件平臺的集成將變得越來越普遍，從而實現高級感知、決策和控制功能。

邊緣計算：中間件集成將適應邊緣計算的發展趨勢，其中計算任務分布在車輛網絡的各個層級，需要高效和安全的數據交換。

多中間件集成可以為汽車系統帶來幾個顯著的收益：

增強的功能：每個中間件在其特定領域中都有出色表現，特性和功能的合并能夠增強系統的整體功能。

優化的性能：通過利用特定域中間件和優化網關，可以最小化性能瓶頸，從而提高系統性能和響應能復用性和兼容性：集成有助于跨不同中間件平臺利用現有軟件資產庫，促進軟件復用性和兼容性。

靈活性和定制化：多個中間件的集成提供了可以針對不同的應用域選擇最適合中間件的靈活性，為特定需求定制化解決方案。

多中間件集成還需要考慮各種因素的權衡：

標準化與專業化：在標準化集成機制和特定域的優化之間取得平衡，以實現所需的性能和功能。

數據拷貝與零拷貝：基于性能和安全考慮，來決定是采用在中間件層之間復制數據，還是采用零拷貝機制 (如通過Direct Memory Connectors)。

復雜度與可維護性：管理集成所帶來的復雜度遞增，同時要確保集成后系統的長期維護和支持。

審核編輯：彭菁