汽車中的電子控制單元(ECU)數量龐大，透過多種通訊協定協調運作。為提升開發與測試效率，工程師運用虛擬化與模擬技術建立數位模型。FMI成為促進不同工具協同的核心標準，並進一步延伸出網路通訊分層式標準，以支援實體訊號與網路層級的模擬。
你是否曾打開汽車的引擎蓋，數過裡面有多少個「小型電腦」？你可能會發現，數量介於30到150個之間。這些被稱為電子控制單元(Electronic Control Units, ECUs)的元件，負責執行各式各樣的任務，從引擎控制到煞車功能皆涵蓋其中。
所有這些ECU透過感測器與致動器彼此互連，形成一個複雜的線路網路，其總長度可達數公里。
現代汽車中的網路化電子控制單元(ECUs)與車用電腦
與家用電腦透過乙太網路(Ethernet)或Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)等無線通訊方式連接網際網路與其他裝置不同，汽車領域對安全性與可靠性有著極為嚴格的要求。隨著時間推移，這些嚴苛的需求促成了多種用於安全關鍵系統的通訊協定的發展。其中，最早且最成功的協定之一，是由博世(Bosch)於1980年代開發的控制器區域網路匯流排(Controller Area Network bus, CAN bus)。
時至今日，除了CAN之外，FlexRay、LIN，以及車用乙太網路(Automotive Ethernet)等多種通訊協定也已出現，以滿足不同的應用需求。
ECU及其軟體往往來自不同的供應商，或由車輛製造商自行開發。這樣的多樣性帶來了一項挑戰：如何有效率地開發並測試這些系統之間複雜的互動關係？若要針對每一種可能的組合進行原型製作，將會是一個極度耗時且成本高昂的過程。
電子控制單元(ECU)：現代汽車中使用30到150個這樣的小型電腦，它們之間的準確資料傳輸對車輛安全至關重要
電子控制單元的模擬
虛擬化與模擬為這些挑戰提供了一種解決方案。工程師不再需要建構實體原型，而是可以建立ECU的數位模型，並在運算平台上評估其行為表現。此作法中的一個關鍵環節，是對網路通訊進行模擬，以確保ECU之間能夠準確地進行資料傳輸，並偵測可能影響車輛安全的潛在故障。
然而，一項主要的障礙在於不同軟體與模擬工具之間的互通性不足。過去，用於建構虛擬ECU以及模擬其網路通訊的工具，彼此之間往往不相容。因此，組織之間要進行有效的協同合作，一直相當困難，甚至可說幾乎不可能。
擴充FMI以支援網路通訊模擬
功能模組介面(Functional Mock-up Interface, FMI)正是為了解決此一問題而提出。由於FMI已成為系統層級、與工具無關之模型交換與協同模擬的主流標準。如遵循此一標準，可讓不同的ECU模型先行開發，並再透過各種不同的模擬環境加以模擬。
然而，直到最近仍缺少一個關鍵要素：一種能將網路通訊納入FMI架構模擬中的標準化方法。FMI標準雖然功能強大，但其設計本質上刻意保持通用性，以支援汽車、製造與航太等多元應用領域。該標準僅提供基本的資料形式，並刻意排除特定應用層級的細節，因為若將這些內容納入，將使核心規範變得難以管理。
為了克服這項限制，分層式標準(Layered Standards)的概念因此誕生，用以在核心FMI標準之上進行延伸，滿足特定應用的需求，例如汽車網路通訊的模擬。此一作法是在既有FMI基礎上建構，同時為特定領域提供所需的延伸機制。
分層式標準 FMI-LS-BUS 允許基於 FMI 標準進行網路通訊模擬
最終形成的網路通訊FMI分層式標準(FMI Layered Standard for Network Communication, FMI-LS-BUS)支援兩項主要的使用情境：
- 實體訊號抽象化(Physical Signal Abstraction，或稱High-Cut)
可在虛擬ECU之間進行實體訊號數值的簡化傳輸。在此情境下，網路特性多半被理想化處理，包括無限頻寬以及零延遲。訊號、訊號群組及其屬性(例如單位)，通常衍生自既有且經驗證的標準化網路拓樸描述格式，例如DBC、LDF、Fibex與ARXML。
- 網路抽象化(Network Abstraction，或稱Low-Cut)
可實現虛擬化的匯流排驅動程式實作。這種傳輸層的模擬機制，使模擬範圍得以從理想化情境延伸至高度細緻的層級，並可納入頻寬限制、訊息仲裁與延遲等因素加以考量。其透過二進位變數來轉送網路負載資料。
Low-Cut抽象層允許虛擬化的匯流排驅動程式實作，並可納入來自實體驅動程式的回饋資訊，例如傳輸狀態或網路節點狀態。由於此一網路抽象層與通訊協定無關，因此也可靈活用於模擬非車用的控制單元，例如工業自動化領域中的設備。
FMI專案目前已正式發布首個版本的網路通訊FMI分層式標準。此一初始版本支援CAN通訊協定。目前也已同步展開對其他通訊協定的支援開發工作，包括Ethernet與FlexRay。
(本文作者為博世研究部門(Bosch Research)資深專案經理)