AUTOSAR Adaptive im Fokus Das Rechenzentrum im Fahrzeug

Die AUTOSAR-Adaptive-Steuergeräte erlauben, Anwendungen zu erweitern oder Software-Funktionen nachträglich hinzuzufügen.
Die AUTOSAR-Adaptive-Steuergeräte erlauben, Anwendungen zu erweitern oder Software-Funktionen nachträglich hinzuzufügen.

AUTOSAR Adaptive ermöglicht flexiblere E/E-Architekturen im Fahrzeug. Künftig kommen in einer AUTOSAR-Adaptive-Architektur Ethernet-basierte Steuergeräte als zentrale Applikationsserver zum Einsatz. Vorteil: Adaptive-Steuergeräte erlauben es, neue Software-Funktionen nachträglich hinzuzufügen.

Für zukünftige Fahrzeuggenerationen haben hoch entwickelte Fahrfunktionen einen erheblichen Einfluss auf die Vernetzungsarchitektur und das Zusammenspiel der einzelnen Steuergeräte untereinander. Die weitere Zunahme von Fahrerassistenzsystemen bis hin zum hochautomatisierten Fahren erfordert eine moderne Sensorik bestehend aus Radar, Lidar und verschiedenen Kameras. Diese Sensoren versorgen das Fahrzeug mit einem schlüssigen Umgebungsmodell. Dafür muss das Fahrzeugnetzwerk in kurzer Zeit große Datenmengen transportieren und verarbeiten. Allein der Datentransport verlangt Vernetzungsarchitekturen, die einen hohen Datendurchsatz bei geringer Latenz ermöglichen. Zusätzlich erfordert die Sensordatenfusion leistungsfähige Rechnersysteme im Fahrzeug, um komplexe Algorithmen mit Hilfe von Spezial-Hardware zu berechnen. Dafür muss die gesamte Verarbeitungskette, einschließlich der Sensoren und Aktoren, im Fahrzeug sicher und verzögerungsarm eingebunden sein.

Einflüsse auf die Fahrzeugarchitektur

Digitale Dienste, die über ein IT-Back-End verfügbar sind, haben einen großen Einfluss auf die Fahrzeugarchitektur. Mobilfunkschnittstellen mit hoher Bandbreite und Vehicle-to-X-Kommunikation (V2X) mit geringer Latenz liefern Informationen zum Zustand der Umgebung wie Wetter, Verkehrsfluss und Baustellen. Die Steuergeräte aggregieren diese Daten gemeinsam mit Routeninformationen und den über Fahrzeugsensoren erfassten Nahbereichsdaten. Rechnersysteme im Fahrzeug führen die benötigten, Grafik-intensiven Operationen aus. Das Ergebnis stellen frei konfigurierbare und hochauflösende Anzeige-Cluster oder Head-up-Displays dar.

Nicht nur diese drahtlosen Schnittstellen nach außen verlangen eine sichere und somit aufwendige Datenübertragung. Selbst ein vergleichsweise einfach aufgebautes Elektrofahrzeug initiiert für die Stromabrechnung eine abgesicherte Verbindung zur Ladesäule. Auch diese sichere Ladekommunikation bedingt eine erhöhte Rechenleistung im Fahrzeug.

Durch all diese neuen Funktionen steigt der Wertschöpfungsanteil der Elektronik und der Software im Fahrzeug auf bis zu 65 Prozent im Jahr 2025. Dabei nimmt der Software-Anteil am meisten zu und liegt dann bei circa 25 Prozent [1]. Aus der gesteigerten Komplexität resultiert ein unübersehbarer Trend hin zu einer stärkeren Aufgabenteilung bei der Steuergeräteentwicklung. Während die Hardware-Entwicklung eines Steuergerätes üblicherweise ein Tier1-Zulieferer durchführt, sind die Bezugsquellen der Fahrzeughersteller für die überaus wettbewerbsrelevante Software vielfältiger. Entweder entwickelt er die Algorithmen selbst oder er kauft die Software-Komponenten von spezialisierten Drittanbietern zu.

Neue Systeme für hohe Anforderungen

Dabei soll der Fahrzeughersteller oder der Nutzer auch nach Fertigstellung des Steuergerätes noch Software-Funktionen hinzufügen oder ändern können, um beispielsweise Fahrzeugfunktionen zu erweitern. Durch eine mögliche Zulieferung von Software durch Drittanbieter ergibt sich allerdings eine neue Marktkonstellation. Die dafür notwendige dynamische Software-Integrationsumgebung ist in jedem Fall eine geforderte Eigenschaft kommender Fahrzeugplattformen. Und um die rechenintensiven Algorithmen und Funktionen ausführen zu können, sind zukünftig noch leistungsstärkere Steuergeräte im Fahrzeug notwendig, die mit 64-Bit-Multi-Core-Prozessoren und MMU-Unterstützung (Memory Management Unit) ausgestattet sind.

Diese Prozessoren bringen eine zusätzliche Hardware-Unterstützung für die Virtualisierung und eine schnelle Anbindung von externen Speichern mit. Grafik-, Bild- und Algorithmenverarbeitung übernehmen Systems-on-Chip (SoCs), die als Hardware-Beschleuniger die notwendige Verarbeitungsgeschwindigkeit bei geringer Verlustleistung realisieren. In einem Steuergerät kommen zusätzliche Mikrocontroller oder SoCs für die Umsetzung von sicherheitsrelevanten Funktionen sowie Komponenten zum Schutz vor unautorisierten Zugriffen, beispielsweise »Hardware Security Module« (HSM) und »Trusted Platform Module« (TPM), zum Einsatz.

Weiterhin spielt die Anbindung an interne Fahrzeugnetzwerke und an die Welt außerhalb des Fahrzeugs eine wichtige Rolle. Innerhalb des Fahrzeugs wird Ethernet, in der Ausprägung von IEEE 100BASE-T1 (100 Mbit/s) oder 1000BASE-T1 (1Gbit/s), künftig die Rolle eines Backbones übernehmen und sowohl die Vernetzungsstruktur nachhaltig verändern als auch den Datendurchsatz vervielfachen. Auch die externen Kommunikationsschnittstellen, wie WiFi, Bluetooth, 5G, V2X erlauben einen hohen Datendurchsatz. Ebenso sind Anbindungen von Sensoren und Aktoren über Low Voltage Differential Signaling (LVDS) oder Automotive Pixel Link (APIX) mit Übertragungsraten im Gigabit-Bereich keine Ausnahme. Die bisher genutzten, klassischen Bussysteme kommen weiterhin zum Einsatz, spielen aber nicht mehr die zentrale Rolle bei der Gesamtintegration des Fahrzeugs.

Die effiziente Nutzung dieser Hardware mit hohem Datendurchsatz erfordert eine flexible Software-Architektur. Dadurch setzen komplexe Prozessoren und die dazugehörige Peripherie in der Regel ein POSIX-basiertes Betriebssystem voraus. Dazu zählen beispielsweise Linux oder für sicherheitsrelevante Systeme PikeOS. Damit stehen vielfältige Bibliotheken und Entwicklungs-Frameworks für die effiziente Entwicklung der Software-Funktionen zur Verfügung. Zu nennen sind hier insbesondere Bibliotheken für Grafik- und Anwendungen für künstliche Intelligenz.

AUTOSAR Adaptive: Der neue Standard

Um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, hat das AUTOSAR-Konsortium neben der etablierten Classic-Plattform mit der AUTOSAR-Adaptive-Plattform einen weiteren Standard definiert. Die Classic-Plattform bedient kostenoptimierte Mikrocontroller. Sie erlaubt es jedoch, selbst auf diesen leistungsschwächeren Prozessoren anspruchsvolle Applikationen im Bereich Ethernet, Security oder funktionale Sicherheit abzubilden. Mit der Classic-Plattform werden vornehmlich Steuergeräte realisiert, die direkt auf Sensoren und Aktuatoren zugreifen und harte Echtzeitanforderungen erfüllen müssen. Die Adaptive-Plattform hingegen zielt auf Anwendungen mit ausgeprägten Leistungsanforderungen ab, wie das hochautomatisierte Fahren. Sie stellt eine flexible Integrationsumgebung zur Verfügung, die sich besonders durch ihre Update-Fähigkeit und Erweiterbarkeit auszeichnet. Dabei ist klar, dass auch Adaptive-Plattformen hohe zeitliche Anforderungen erfüllen müssen. Für die Bearbeitung hochfrequenter Ereignisse ist AUTOSAR Classic allerdings nach wie vor besser geeignet. Auch die Erfüllung höchster Sicherheitsanforderungen beim Einsatz von AUTOSAR-Adaptive-Steuergeräten wird aus heutiger Sicht nur durch eine Kombination mit Classic-Steuergeräten erreicht. Denn der AUTOSAR-Adaptive-Standard lässt mehr Freiraum und Flexibilität in Hinsicht auf die eingesetzten Komponenten und Betriebssysteme, Stichwort POSIX-OS. Ob die Adaptive-Plattform künftig als alleiniges System die funktionale Sicherheit für jeden Anwendungsfall kompromisslos unterstützen kann, wird aktuell noch umfassend untersucht.

Im Zusammenspiel mit AUTOSAR Classic bietet der Adaptive-Standard nun eine Unterstützung für eine große Bandbreite von Steuergeräten und gibt dem Systemdesigner die notwendigen Bausteine an die Hand, um leistungsfähige Fahrzeugplattformen zu entwickeln. Bisher wurden solche Steuergeräte über proprietäre Ansätze umgesetzt. Doch aus welchen Bausteinen besteht nun AUTOSAR Adaptive? Und was unterscheidet die beiden Plattformen technisch voneinander (Bild 1)?

Bei der Adaptive-Plattform nutzen Applikationen die »AUTOSAR Runtime for Adaptive Applications«, die auch als ARA bezeichnet wird. Mit dieser Laufzeitumgebung verfügt der Anwender über standardisierte Schnittstellen, um unterschiedliche Applikationen effizient in das System zu integrieren. ARA bietet Mechanismen zur Steuergeräte-internen und Netzwerk-übergreifenden Kommunikation sowie den Zugriff auf Basisdienste, wie etwa Diagnose oder Netzwerkmanagement. Zusätzlich darf der Anwendungsprogrammierer auf eine Teilmenge von Betriebssystemfunktionen, das sogenannte »Minimum Real-Time System Profile« (PSE51), direkt zugreifen.

Eine Adaptive-Applikation wird als mindestens ein Prozess in einem POSIX-basierten Betriebssystem realisiert. Applikationsprozesse werden zur Laufzeit jeweils in ihren eigenen virtuellen Adressraum geladen und dort ausgeführt. Das koordinierte Starten dieser Prozesse übernimmt ein Modul zur Applikationskontrolle (Execution Management).

Die Adaptive-Umgebung bietet weiterhin Basisdienste, wie Diagnose und Netzwerk-Management, die benötigt werden, um ein Steuergerät in eine E/E-Architektur zu integrieren. Weitere Dienste zur Bereitstellung von grundlegenden Funktionen sind die persistente Speicherung von Daten (Persistency), die Funktionsüberwachung der Plattform (Platform Health Management), der Zugriff auf kryptografische Operationen (Crypto) oder das Aufzeichnen von Messwerten (Logging and Tracing).

Zusätzlich stellt das »Update and Configuration Management« (UCM) eine der zentralen Fähigkeiten der Adaptive-Plattform zur Verfügung. Während die Classic-Plattform bei einer Aktualisierung typischerweise den Austausch des gesamten Steuergeräte-Codes vorsieht, bietet die Adaptive-Plattform nun die Möglichkeit, einzelne Applikationen zu entfernen, zu aktualisieren oder auch hinzuzufügen. Jede Adaptive-Applikation wird durch ein Paket bestehend aus einem ausführbaren Programm und einer Manifest-Datei definiert und ermöglicht damit den flexiblen Umgang mit der Steuergerätefunktionalität. Die Manifest-Datei modelliert die Schnittstellen der Applikation, beispielsweise die Ports und IP-Adressen für die Service-orientierte Kommunikation. Außerdem legt sie mit den Aufrufparametern für den Start einer Applikation die Rahmenbedingungen für deren Ausführung fest.

Im Gegensatz zu AUTOSAR Classic kommt C++ als Programmiersprache in AUTOSAR Adaptive zum Einsatz. Durch die Kombination der Objekt-orientierten Programmiersprache, einem dynamischen Speichermanagement und vorhandenen Standardbibliotheken setzt der Anwendungsprogrammierer anspruchsvolle Software effizient und wiederverwendbar um.
Ein weiteres Merkmal der Adaptive-Plattform ist der Übergang zu einem ausschließlich Service-orientierten Architekturparadigma, das eine größere Flexibilität für den Systementwurf bietet. Applikationen stellen ihre Funktionalität über die Adaptive-Plattform als Service zur Verfügung oder verwenden ihrerseits angebotene Services (Bild 2). Steuergeräte, auf denen eine Adaptive-Plattform ausgeführt wird, sind miteinander über ein Ethernet-Netzwerk verbunden. Ein Client fordert einen zuvor vom Server angebotenen Dienst an. Diese Informationen werden über Ethernet mit dem Netzwerkprotokoll Scalable Service Oriented Middleware over IP (SOME/IP) übertragen. Der Server beantwortet die Anfrage mit den entsprechenden Daten. Auch die Serialisierung dieser Daten definiert SOME/IP. Im Vergleich dazu liegt bei der Classic-Plattform der Fokus vornehmlich auf der Signal-orientierten Kommunikation. Allerdings kann die Kommunikation zwischen mehreren Steuergeräten auch bei AUTOSAR Classic Service-basiert erfolgen. Wie auch bei der Adaptive-Plattform kommt hierfür eine Ethernet-Verbindung und SOME/IP zum Einsatz.

In der Praxis ergänzen sich die AUTOSAR-Adaptive- und die Classic-Plattform in ihren Haupteigenschaften. Es ist daher davon auszugehen, dass in künftigen Fahrzeuggenerationen Steuergeräte mit beiden Standards in einer heterogenen Architektur zur Anwendung kommen. Neben den bekannten Classic-Implementierungen sind Lösungen, wie Adaptive Microsar von Vector, auch für die Adaptive-Plattform bereits am Markt verfügbar.