汽车软件工程 原书第6版

序：汽车软件的重要性

第6版前言

第1章引言和概要1

1.1驾驶员-车辆-环境系统1

1.1.1电子系统的结构组成及工作原理2

1.1.2车辆和环境的电子系统4

1.2车辆电子系统概述5

1.2.1 动力总成电子系统6

1.2.2底盘电子系统8

1.2.3车身电子系统10

1.2.4多媒体系统11

1.2.5驾驶辅助系统12

1.2.6总结与展望15

1.3逻辑系统架构概述16

1.3.1车辆功能和控制器网络16

1.3.2用于闭环、开环控制和监控系统的逻辑系统架构17

1.4车辆开发流程17

1.4.1车辆开发概述17

1.4.2电子系统开发概述18

1.4.3电子系统和软件开发的核心流程21

1.4.4电子系统和软件开发的支持流程22

1.4.5电子系统和软件的生产和服务24

1.5车辆开发的方法和工具24

1.5.1基于模型的开发25

1.5.2综合质量保证26

1.5.3降低开发风险27

1.5.4标准化与自动化28

1.5.5车辆开发步骤31

第2章基础知识32

2.1开环及闭环控制32

2.1.1控制系统建模32

2.1.2控制模型方块图33

2.2离散系统36

2.2.1时间离散系统及信号37

2.2.2数值离散系统及信号38

2.2.3时间离散且数值离散系统及信号38

2.2.4状态机39

2.3嵌入式系统40

2.3.1微控制器构造41

2.3.2存储技术43

2.3.3微控制器编程45

2.4实时系统52

2.4.1任务的定义52

2.4.2实时需求的建立53

2.4.3任务的状态55

2.4.4处理器的调度策略56

2.4.5实时操作系统构成60

2.4.6任务间的交互61

2.5分布联网式系统65

2.5.1系统的逻辑和技术架构67

2.5.2通信逻辑关系的定义68

2.5.3技术网络拓扑定义70

2.5.4报文的定义71

2.5.5通信网络管理73

2.5.6总线仲裁机制75

2.6系统的可靠性、安全性、监控和诊断77

2.6.1基本术语78

2.6.2系统的可靠性和可用性79

2.6.3系统的安全性83

2.6.4系统监控和诊断85

2.6.5控制器监控系统的构成89

2.6.6控制器诊断系统的组成91

2.7产品线方法和系统变体96

2.8电子电气和软件架构100

第3章汽车电子系统和软件开发的支持流程102

3.1系统理论的基本概念102

3.2流程模型和标准105

3.3配置管理107

3.3.1产品生命周期107

3.3.2变体及可扩展性107

3.3.3版本和配置107

3.4项目管理112

3.4.1项目计划113

3.4.2项目跟踪和风险管理117

3.5.1系统和组件层面的分工117

3.5.2交互接口——规格说明和集成117

3.5.3跨公司开发流程的确定118

3.6需求管理120

3.6.1用户需求的收集120

3.6.2需求的跟踪123

3.7质量保证124

3.7.1集成和测试125

3.7.2软件质量保证措施125

第4章汽车电子系统和软件开发的核心流程128

4.1需求及边界条件129

4.1.1系统及组件职责分工129

4.1.2系统和软件开发之间的协调130

4.1.3基于模型的软件开发131

4.2基本概念131

4.2.1流程131

4.2.2方法和工具132

4.3逻辑系统架构的规格说明133

4.4技术系统架构的规格说明136

4.4.1开环闭环控制的分析与规格说明139

4.4.2实时系统的分析与规格说明139

4.4.3分布联网式系统的分析与规格说明140

4.4.4可靠性和安全性的分析和规格说明141

4.5软件架构的规格说明142

4.5.1软件组件及其接口的规格说明142

4.5.2软件层级的规格说明144

4.5.3运行状态的规格说明145

4.6软件组件的规格说明146

4.6.1数据模型的规格说明147

4.6.2行为模型的规格说明147

4.6.3实时模型的规格说明150

4.7软件组件的设计和实施152

4.7.1产品非功能属性的考量152

4.7.2数据模型的设计和实施154

4.7.3行为模型的设计和实施154

4.7.4实时模型的设计和实施156

4.8软件组件的测试156

4.9软件组件的集成156

4.9.1程序和数据版本的生成157

4.9.2工具描述文件的生成158

4.9.3软件描述文档的生成159

4.10软件集成测试160

4.11系统组件的集成160

4.11.1软件和硬件的集成161

4.11.2控制器、设定值发生器、传感器和执行器的集成162

4.12系统的集成测试163

4.13标定165

4.14系统验收测试166

第5章开发方法及工具168

5.1非车载开发工具及接口169

5.2技术系统架构规格说明170

5.2.1开闭环控制系统的分析及规格说明170

5.2.2实时系统的分析及规格说明173

5.2.3分布联网式系统的分析及规格说明178

5.2.4系统可靠性及安全性的分析及规格说明182

5.3软件功能及验证的规格说明188

5.3.1软件架构及软件组件的规格说明189

5.3.2数据模型的规格说明193

5.3.3基于方块图的行为模型规格说明193

5.3.4基于真值表的行为模型规格说明196

5.3.5基于状态机的行为模型规格说明197

5.3.6基于编程语言的行为模型规格说明201

5.3.7实时模型的规格说明202

5.3.8基于仿真和快速原型的规格说明验证202

5.4软件设计与实施211

5.4.1软件资源优化211

5.4.2定点和浮点算法的设计与实施218

5.4.3软件架构的设计与实施231

5.4.4数据模型的设计与实施233

5.4.5行为模型的设计与实施237

5.5软件功能的集成与测试239

5.5.1软件在环仿真240

5.5.2实验室车辆和实验台架241

5.5.3试验车、原型车、量产车246

5.5.4实验设计和自动化247

5.6软件功能的标定247

5.6.1离线标定及在线标定249

5.6.2软件刷新249

5.6.3监测设备的同步测量251

5.6.4车载诊断数据的读取和评估251

5.6.5离线标定252

5.6.6在线标定252

5.6.7在线标定的非车载接口分类253

5.6.8CAL RAM管理258

5.6.9参数和数据集的管理260

5.6.10实验的设计和自动化261

第6章生产和服务中的工具和方法262

6.1非车载诊断263

6.2软件功能的参数化264

6.3通过flash编程进行软件更新265

6.3.1flash存储器的擦除与编程265

6.3.2通过非车载诊断接口进行flash刷新266

6.3.3信息安全需求267

6.3.4可用性要求268

6.3.5引导块的转换和闪存编程269

6.4电子系统的调试和测试271

第7章总结和展望272

参考文献274

这是本书的第6版，从其首次出版至今，已经被陆续翻译为英文、中文、日文及韩文。同时世界各地的众多大学也将其作为开展汽车软件教学的基础讲义。看到本书能持续保持生命力，让我们倍感欣慰。

第 6 版的修订重点是新增了自动驾驶辅助系统以及产品线和变体管理的内容。原有章节均进行了相应的更新，同时也增加了新的章节。

汽车自125年前诞生以来，始终没有停止快速发展的步伐。尤其是1970年之后，其发展的特点越来越多地围绕电子系统和软件的应用展开，这种情况一直持续到今天。这对汽车研发、生产和售后造成了巨大影响。软件为解决车辆现有设计冲突目标提供了新的自由度。

为了更好地驾驭由软件增加带来的设计复杂度提升，有必要对车辆特定边界条件的流程、方法和工具进行更深入的研究。汽车软件以嵌入式和分布式实时性作为基本特征，同时安全性和可用性要求高、成本压力大、产品生命周期长。本书针对上述特点给予了重点关注。另外，在过去的十五年间已经形成了众多针对汽车电子及软件系统的标准，例如AUTOSAR和ISO 26262等，它们都可以被纳入“汽车软件工程”的探讨范畴。

然而新标准的层出不穷也让我们不得不面对日益复杂的“术语世界”。准确挖掘隐藏在术语背后的含义变得愈发艰辛。甚至，某些术语在不同语境下的含义也有所不同。例如，术语process，与控制工程中的过程相关，但也指实时系统的进程，或开发流程。正因如此，本书在概述主题后，首先对全书频繁出现的重要术语进行了定义，并明确了使用的一致性规范。此后的章节中，我们将重点介绍车辆电子系统中软件的开发流程、方法和工具，而软件开发和车辆整体开发间的关系将作为决定性要素贯穿始终。本书所介绍的内容以示范为主要目的，即它们是对真实情况的抽象和理论化总结。这些知识可为开发工作指明方向，但在应用于特定项目之前必须针对实际情况进行评估和调整。

由于软件工程涉及的范围广泛，我们难以对所有主题都进行深入处理，因此本书的内容将局限在具有汽车特定特征的领域。

实践案例

评价一个流程是否成功的标准，必须在广泛的任务实践中被证明是易于理解和应用的。这也意味着，如果软件工程的讲解过于理论化，价值将十分有限。在本书中，我们给出的所有建议都将结合实际应用案例作为补充。这些案例积累自我们与主机厂及供应商的长期密切合作，涉及开发、生产、售后、预研项目等各个方面。

致读者

本书面向的对象是就职于主机厂和供应商，在开发/生产/售后过程中遇到软件相关问题的员工。同时，本书也可作为大学相关专业和企业新员工的培训教材。控制工程、系统理论及软件基础知识并非阅读本书的先决条件，但若读者已掌握这些知识，无疑将更易理解本书内容。当然，读者也一定想对一些细节进行更深入的了解，我们很欢迎读者提出改进建议。事实上，在本次再版中，我们也参考了许多读者对本书第5版的建设性意见反馈。

致谢

在此，要感谢我们所有的汽车行业客户多年来的信任，与你们长期交流中所积累的知识是完成本书的前提。

此外，我们要感谢宝马集团。在本书中，宝马集团善意地准许我们公开在宝马合作项目中获得的经验，而本书的一作也是宝马集团员工。同时在本书中，还包含着一系列对宝马项目的建设性意见。我们要特别感谢Heinz Merkle先生、Helmut Hochschwarzer博士、Maximilian Fuchs博士、Dieter Nazareth教授以及他们团队内的所有成员。

同时，我们在与罗伯特·博世集团多年的密切合作中也得到了许多知识。在本书的许多章节都可以找到这些被广泛使用的流程及方法。我们要感谢博世底盘事业部、柴油机事业部、汽油机事业部及先期工程部门的员工。

我们同样要感谢Siegfried Dais博士、Klaus Grimm博士、Wolfgang Runge博士、Manfred Broy教授、Hans-Christian Reuss教授、Peter Ghner教授为本书所写的序。

此外，我们还要感谢Mirko Ciecinski、Daniel Kanth博士、Roland Jeutter、Michael Nicolaou博士、Oliver Schlüter博士、Kai Werther博士、Hans-Jrg Wolff和Wolfgang Haug。此外，我们由衷地感谢Springer Vieweg Verlag出版社Elisabeth Lange女士在第6版出版过程中的辛劳付出。

——Jrg Schuffele, Thomas Zurawka博士，2016年写于斯图加特

装　　帧：平装