一种车载控制器SWC设计方法
作者 | 不可说
出品 | 汽车电子与软件
#01
前 言
汽车软件SWC（Software Component）的概念主要来源于AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）架构。
在Autosar架构中，SWC是核心概念之一，代表了一个独立的、可重用的、自我描述的、可替换的软件单元。这些软件组件具有清晰的输入输出接口，相较于整个汽车电子系统来说，是一个更小的功能模块。
SWC可以是一个可执行的模块或者是一个库，它独立于其他组件工作，自带相应的状态和管理接口。SWC之间的通信通过AUTOSAR定义的接口进行，这些接口确保了不同组件之间的互操作性和数据交换的标准化。
#02
SWC开发输入
SWC的设计开发工作是软件架构设计领域中一个至关重要的环节。它不仅仅是架构蓝图中的一部分，更是实现软件功能、提升系统性能、确保可维护性和可扩展性的基石。作为软件架构的开发者，整个工作流程需遵循严格的逻辑与系统性，以充分理解和分析软件需求为起点。
按照ASPICE开发流程，SWC的设计属于SWE.2软件架构设计的工作，需要接收来自于SWE.1的软件需求分析输出，基于深入分析的需求，架构师着手规划SWC的设计。这包括定义组件的接口（即对外提供的服务和所需的环境或数据），明确组件的职责范围（即它能做什么和不能做什么），以及设计组件内部的逻辑结构和数据流。在设计过程中，需考虑组件的复用性、解耦程度、与系统中其他组件的交互方式等因素，以确保设计既能满足当前需求，又能为未来的扩展和维护预留空间。
如按照软件需求的PC（Product Capabilities） /Module分析方法论，分析如下主驾座椅加热用户需求Case：
UC 01 : 座椅加热关闭时，手动点击屏幕主驾座椅加热虚拟按键，座椅加热开到2挡 UC 02 : 座椅加热2挡位时，手动点击屏幕主驾座椅加热虚拟按键，座椅加热开到1挡 UC 03 : 座椅加热1挡位时，手动点击屏幕主驾座椅加热虚拟按键，座椅加热关闭 UC 04 : 座椅加热开启时时，且主驾离座时，触发座椅加热关闭软件架构开发工作者收到类似如下图的分析结果，（副驾座椅加热有同样需求，此处不做额外展示），就可以进行下一步的进行软件架构的设计工作；
软件需求分析
#03
SWC划分
3.1 SWC分层
在SWC设计中，一般开发者会根据经验，按照PC的功能范畴来划分SWC，除此之外，可以考虑采用分层设计的思路，目的是使得SWC具有更好的操作性与可重用性，即使得软件组件可以在不同的汽车平台和项目中复用，减少了重复开发的工作量，提高了开发效率，分层设计也可以将应用软件逻辑层与执行层隔离开来，降低了应逻辑对下层BSW的依赖，提高了系统的稳定性和可靠性。
例如，可以分为SA（Sensors and actuators）层与VC（Vehicle Control）层SWC；
以第二小节中的需求输入为例，可以划分两个SWC：
VC层SWC： 主副驾座椅占位状态检测，即接收屏幕按键状态、座椅加热状态，给出加热关闭判定； SA层SWC： 主副驾座椅加热请求与主副驾座椅加热状态检测，综合给出加热关闭判定；座椅加热SWC划分
SWC内外部交互信息示意
参考上面设计思路，如果座椅加热增加实体按键控制能力，可以放入SA层SWC实现；如果座椅加热增加联动场景，如根据空调制冷状态决定开闭场景，可以放入VC层SWC实现；
3.2 SWC区域化划分
在当今汽车技术日新月异的时代背景下，电子电气架构（EEA）正经历着前所未有的深刻变革，这一变革不仅重塑了车辆内部系统的布局与交互方式，还深刻影响了车辆上电子控制单元（ECU）的角色定位与开发流程。从分布式电子电气架构，到现如今应用最为广泛的域控制器电子电气架构，更进一步的架构发展是为了应对更高级别的自动驾驶需求和不断增加的车辆内部复杂度，区域控制器电子电气架构的概念开始浮现。在这一架构下，车辆被划分为几个逻辑或物理上的区域，每个区域由专门的区域控制器管理，这些区域控制器之间通过高速网络进行通信，实现信息的实时共享与协同控制。
具体到BCM（车身控制模块）控制器，作为车身域中的重要组成部分，其功能在传统架构中主要负责灯光、门窗、雨刮等车身附件的控制。然而，在下一代电子电气架构的演进过程中，BCM的功能很可能会根据区域划分的需求被拆分成左右两个区域控制器来实现，每个区域控制器负责相应侧车身附件的集中控制，为了将应用软件平台化，可以做出如下划分，
座椅加热SWC划分与交互示意
也就是将上一小节中的SA层SWC拆分为主副驾座椅加热功能分别执行的两个SWC，当下一代区域控制电子电气架构导入时，VC层的SWC可以直接部署在中央计算平台内，SA层的两个SWC就分别部署在左右区域控制器中；极大的增强了SWC的重用性；
尽管将SWC拆分成更细致的模块能够显著提升其重用性和灵活性，从而降低开发成本并加速产品上市时间，然而，这种高度的细分化在当前的开发平台上也伴随着一系列问题。具体而言，过于细化的模块划分往往意味着模块间的内部信号交互将显著增加，这不仅会加大系统的复杂性和维护难度，还可能引入额外的性能开销，如通信延迟和额外的处理负担。
因此，作为架构开发者，在决定SWC模块划分的精细度时，必须采取一种平衡且全面的视角。首先，需要深入了解并评估公司当前的开发平台特性，包括其支持的通信机制、性能瓶颈、内存限制以及扩展能力等因素。这有助于开发者在模块划分时避免设计出超出平台承载能力或难以实现的架构。
其次，规划也是不可或缺的一环。开发者需要根据公司长远的发展战略、项目目标以及预期的产品迭代周期，来制定合适的SWC划分策略。这包括考虑未来可能的需求变更、技术升级以及模块间的依赖关系，确保架构既能满足当前需求，又能灵活应对未来的变化。
#04
SWC设计
在设计SWC交互信息时，需要基于软件需求分析报告，我们着手为各个功能模块创建对应的SWC外部接口。这一过程首先涉及对需求文档中明确指出的功能模块与外部系统或组件之间的交互信息进行细致解析。这些交互信息通常包括了通信协议、消息格式、以及触发交互的条件等关键要素。随后，我们根据这些要求，为每一个SWC设计并定义其外部Port、Interface、参数类型 等，确保这些信息能够准确无误地反映功能模块与外界的交互需求。
在创建外部接口的过程中，我们尤为注重为每个接口精心规划其参数列表以及相应的数据类型。参数的选择需紧密贴合功能模块的业务逻辑和交互需求，数据类型则必须明确且一致，以避免在后续的开发和集成过程中出现数据不匹配或理解歧义的问题。通过这样的细致规划，我们旨在构建一个清晰、规范且易于理解和维护的SWC接口体系。
此外，除了遵循需求分析中定义的外部交互外，如果我们将功能模块进一步细化为多个SWC时，我们必然需要处理这些SWC之间的内部交互问题。为此，我们需要明确每个SWC之间的交互点，即内部SWC之间的Port/Interface的设定。这些Port/Interface将作为SWC间通信的桥梁，通过RTE负责传递数据和指令。
在确定Port/Interface后，我们还需要为每个交互点详细定义所需的参数以及对应的数据类型。这些参数应当能够完整表达SWC间传递的信息内容，而数据类型的选择则需确保数据的一致性和准确性。通过这样的规划，我们能够实现SWC间的高效、可靠的交互。
根据3.1小节中对SWC的划分设计，给出如下Port设计和展示：
座椅加热SWC的Port设计
接口的设计规范在软件开发过程中占据着至关重要的地位，它通常需要组织内部通过一系列会议商定出来的的准则来确保接口的统一性和一致性。目的是构建一个清晰、可预测且易于理解的接口体系，从而极大地提升开发效率，降低维护成本，并促进团队内部及跨团队之间的协作。
具体而言，接口设计规范应包含以下几个方面来确保开发者能够较为容易地辨识接口所表示的含义及其代表的属性：
命名规范： 接口及其方法、参数、返回值等命名应遵循一致的命名约定，如使用驼峰命名法或下划线分隔等，同时确保名称能够直观反映其功能和作用，便于开发者理解和记忆。 注释文档： 为接口及其组成部分提供详尽的注释文档，包括功能描述、参数说明、返回值类型及可能的异常信息等。这些文档应采用统一格式编写，如使用Markdown或特定API文档工具，以便于自动化生成和维护。 版本控制： 明确接口的版本管理策略，确保接口的变更能够被有效追踪和记录。对于不兼容的变更，应提供清晰的升级指南或迁移路径，以减轻对现有系统的影响。 数据规范： 定义接口交互过程中涉及的数据格式、编码方式及数据校验规则等。这有助于保证数据的准确性、一致性和安全性，减少因数据格式不一致导致的错误。所有关联开发者通过遵循这些规范，可以显著提升软件开发的质量和效率。
Port口对应的参数类型大致上也需要按照上面的约定来制定，这里不会给出详细的规范说明，毕竟由于软件开发的高度灵活性和多样性，不同的开发者或开发团队可能会根据自己的项目需求、技术栈偏好、以及过往经验，对这些约定进行不同程度的调整或扩展。因此，虽然存在某种普遍接受的“一般性”做法，但实际应用中却鲜有完全一致的“普适性”规范。
对于SWC设计的关联信息可以使用表格或者其他工具进行管理，个人设计座椅加热功能中主副驾座椅占位检测SWC设计信息如下：
Data Type 即表明接口的参数类型、范围、单位、初始值等信息，一般需要单独维护：
“一千家开发者有一千八百种开发习惯”，在设计Port、接口、参数类型时，虽然可以借鉴已有的成功经验和行业标准，但更重要的是结合项目实际情况，灵活调整，确保设计方案既符合项目需求，又能够高效、稳定地运行。
/ END /
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SWC设计前的准备—软件需求分析
作者 | 不可说
出品 | 汽车电子与软件
#01
前 言
汽车软件SWC（Software Component）的概念主要来源于Autosar（Automotive Open System Architecture）架构，代表着汽车电子控制器中的软件组件/单元，用以实现某些功能。
在SWC设计之前，需要进行一系列的准备和规划工作，以确保后续设计的顺利进行和项目的成功实施。
这些工作主要包括以下两个方面：
1. 需求分析
明确功能需求：首先，需要明确SWC需要实现的具体功能，包括输入输出、处理逻辑、性能要求等。这通常来自于项目工程师或产品经理的需求文档。
划分功能模块：将整体功能需求细分为不同的功能模块，这些模块将对应不同的SWC。这有助于实现功能的模块化设计，提高代码的可维护性和复用性。
2. 系统架构设计
在明确功能需求的基础上，需要设计整体的系统架构，包括SWC之间的层次关系和交互方式。AUTOSAR架构是一个常用的选择，它提供了标准化的软件架构和接口规范。
下面会提供一种需求分析思路与流程。
#02
需求分析关联方及流程
SA ： system architect 系统架构师
FO ： function owner 功能负责人
SWC正向设计流程
1、用例与功能系统设计
用例，即Use Case；来源于用户需求；可以由功能负责人分析、设计；
用例（Use Case）驱动的开发方法是一种软件开发策略，它强调以用户为中心的设计思想，确保整个开发过程紧密围绕用户的实际需求进行。这种方法的核心在于，从用户的视角出发，而非单纯从技术或开发人员的便利性角度，来识别、定义和实现系统的功能需求。
具体而言，它包含以下几个关键步骤和特性：
用户参与与需求捕获； 用例编写： 基于收集到的用户需求，开发团队会将这些需求转化为具体的用例描述。每个用例都详细描述了用户（或系统外部实体）与系统进行交互的目的、前置条件、主要流程（包括成功路径和异常路径）、后置条件等，从而形成一个清晰的、可验证的需求模型。 系统外部视角： 用例驱动的开发方法特别重视从系统外部观察系统的使用情况。这意味着开发人员需要跳出技术实现的细节，站在用户的角度去思考系统应该如何工作，以及用户在使用过程中可能会遇到哪些问题。这种视角有助于避免“内部人”思维，确保系统设计符合用户的真实需求和使用习惯。 迭代开发与验证： 随着用例的逐步细化，开发团队会基于这些用例进行迭代开发。 持续反馈与调整： 整个开发过程中，开发团队与用户之间保持密切沟通，及时收集用户反馈。根据反馈结果，开发团队可以对用例进行必要的调整和优化，以确保系统始终能够满足用户的实际需求。根据上面分析的步骤，可以给出如下用例图的示例，当然也完全可以用文字陈列；
参与者：用户
系统：主驾座椅加热系统
连线表示用户与用例之间的关联
如果用文字表述，需要分清晰层次来说明用例，如：
用例名： UC01-主驾座椅加热2档
前置条件： 座椅加热状态为关闭&主驾有人
操作： 手动点击屏幕主驾座椅加热虚拟按键
后置状态： 座椅加热开到2挡
如果需求完善，且实际硬件支持错误检测，可以补充异常路径：
异常路径 ： 弹窗提示，开启失败
2、能力设计
PC（Product Capabilities） 或者VC（Vehicle Capabilities）：
是构成产品功能实现基石的核心概念，它源自于精心设计的架构平台。在这个平台上，PC/VC被明确定义为一系列可复用、可组合的基本功能单元，这些单元共同支撑起产品复杂多样的功能体系。在产品的功能设计阶段，开发团队需要深入理解和挖掘PC/VC所提供的丰富能力，作为构建具体功能特性的基础。
具体而言，每当面临新的业务需求或用户用例时，设计者们会首先审视并筛选适用的PC/VC单元。这些PC/VC单元就像一块块积木，通过不同的组合方式，能够灵活、高效地搭建出满足特定需求的功能模块。此过程要求设计者对PC/VC有深刻的理解，能够准确判断哪些PC/VC能够直接应用，哪些需要通过微调或扩展来满足特定需求。
PC 的设计需要遵循如下原则：
PC具有唯一性： PC的唯一性体现在每个能力单元在系统中的身份识别上都是独一无二的。这意味着，在定义PC时，我们会为每个能力赋予一个明确的、不重复的名称和标识，以确保在整个产品开发周期内，无论是设计、开发还是维护阶段，都能准确无误地引用和识别这些能力。这样的唯一性有助于避免功能重叠和混淆，确保产品功能的清晰划分和高效实现。 PC具有独立性： PC的独立性是指每个能力单元在逻辑上是自洽的，不依赖于其他PC的具体实现细节。这意味着，一个PC可以独立地被设计、测试和维护，而不必考虑它与其他PC之间的内部交互细节。这种独立性提高了系统的可维护性和可扩展性，使得开发者可以专注于优化单个PC的性能和稳定性，而不必担心对其他部分造成影响。 PC的颗粒度不能太小： 在定义PC时，需要仔细考虑其颗粒度大小。颗粒度过小会导致PC数量过多，增加系统设计的复杂性和维护成本；而颗粒度过大则可能使得PC过于庞大，难以复用和组合。因此，合理的PC颗粒度应该是既能够清晰地表达功能需求，又能够保持足够的复用性和组合灵活性。一般来说，PC应该聚焦于解决一类相似的问题或实现一组紧密相关的功能。 PC的重用性： PC的重用是提升产品开发效率和质量的关键。通过定义可复用的PC，我们可以在不同的产品、项目或功能模块中重复使用这些能力单元，减少重复劳动和错误。为了实现PC的重用，我们需要建立一套完善的PC库，并对PC进行详细的文档化和版本管理。这样，当新的需求出现时，开发者可以快速搜索和找到合适的PC进行复用，从而加速产品的开发进程。根据上述划分的原则，可以设计如下的PC来实现上面举例的UC；
UC示意图
3、模块设计
即Module Design
System Architect在接收到Function Owner的PC需求后，会组织一次跨部门或团队的会议，需要全面评估这些需求对系统整体架构的影响。会议参与者可能包括硬件专家、软件开发者、项目经理及其他相关利益方。通过集体讨论，团队会首先探索是否可以利用现有系统中的PC资源来满足新功能的需要。
如果经过综合考量，确定现有PC无法满足新功能的要求，或者采用现有PC会导致不必要的复杂性和成本增加，System Architect会提出新增PC的提议。接下来，System Architect将负责将新增PC的需求细化为具体的规格参数，并依据系统架构的逻辑和功能模块的划分，将这些PC资源合理地分配至最适合的Module。
在分配过程中，System Architect会确保新增PC能够无缝集成到现有的系统架构中，同时保持各模块间的独立性和可扩展性。如果遇到没有直接对应的Module来容纳新增PC的情况，System Architect将承担起创建新Module的责任。这包括定义新Module的边界、功能范围、与其他模块的交互接口以及所需的集成策略，以确保新Module的引入不会破坏系统的整体稳定性和性能。
整个过程中，System Architect还会与Function Owner保持紧密沟通，确保新增PC的需求得到充分理解和满足，并在必要时对设计方案进行调整，直至达成双方认可的最优解决方案。
可以设计如下的Module来实现上面举例的PC，在实际开发中要注意PC的实现不能重复或者遗漏：
Module示意图
4、模块部署
在详细规划与实现过程中，首先需明确每个Module（模块）的具体功能及其所需的输入输出接口、处理逻辑、以及预期的性能指标。随后，基于这些详尽的功能定义，我们可以将各个Module逐一分配到对应的电子控制系统中去实现，这一过程涉及以下几个关键步骤以确保清晰性、具体性和条理性：
功能细化与分类： 首先，对每个Module的功能进行细化分析，识别出哪些是数据处理功能、哪些是控制逻辑功能、哪些是通信接口功能等。根据功能类型，将Module划分为不同的类别，如传感器数据处理模块、执行器控制模块、通信协议转换模块等。
系统匹配与选择： 根据已划分的Module类别，评估现有的电子控制系统的技术特点、处理能力、接口资源及成本效益，为每个类别的Module选择最合适的电子控制系统。这一步骤需要综合考虑系统的可扩展性、可维护性、以及与现有系统或设备的兼容性。
接口定义与协议制定： 为选定的电子控制系统与Module之间定义清晰的接口规范，包括物理接口（如GPIO、串口、网口等）、通信协议（如CAN、Modbus、Ethernet/IP等）、数据格式与传输速率等。确保Module与控制系统之间能够顺畅、高效地进行数据交换和控制指令的传递。
根据设计部署经验及原则，上述两个Module均可部署在车身控制器中；
部署示例
#03
小 结
至此，我们可以认为已经完成了软件组件（SWC）设计前期的核心任务——软件需求分析。这一阶段的成功标志着我们对系统需求有了全面而深入的理解，并能够将这些需求转化为具体的软件功能要求。然而，上述描述仅代表了一种理想化的正向设计流程概览，仅提供了一个清晰的起点和方向。
在实际的软件与系统开发过程中，往往会遇到远比理论描述更为复杂多变的场景。UC与Module之间的追溯关系错综复杂，它们之间不仅存在直接的映射，还可能涉及多对多、层级嵌套或相互依赖的关系。这种复杂性要求我们在设计过程中保持高度的灵活性和严谨性，以确保每一个功能需求都能被准确无误地映射到相应的软件模块上，同时保证模块间的接口清晰、耦合度低，便于后续的维护和扩展。
为了有效应对这些挑战，我们可以考虑引入一系列先进的工具和技术来辅助设计管理。例如，利用需求管理工具来跟踪和管理需求变更，确保所有相关方对需求的理解保持一致；采用UML（统一建模语言）或SysML（系统建模语言）等建模工具来构建系统的逻辑架构和物理架构，直观展示UC与Module之间的追溯关系；通过版本控制系统来管理设计文档和代码，确保设计的一致性和可追溯性；以及利用自动化测试工具来验证设计实现是否符合需求规格说明，提高软件质量。不过工具只是辅助手段，应权衡利弊，不应被其复杂的操作所拖累。
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