AUTOSAR开发技术手册

一、总体概述

AUTOSAR是Automotive Open System Architecture（汽车开放系统架构）的首字母缩写，是一家致力于制定汽车电子软件标准的联盟。AUTOSAR是由全球汽车制造商、部件供应商及其他电子、半导体和软件系统公司联合建立，各成员保持开发合作伙伴关系。自2003年起，各伙伴公司携手合作，致力于为汽车工业开发一个开放的、标准化的软件架构。AUTOSAR这个架构有利于车辆电子系统软件的交换与更新，并为高效管理愈来愈复杂的车辆电子、软件系统提供了一个基础。此外，AUTOSAR在确保产品及服务质量的同时，提高了成本效率。整车软件系统可通过AUTOSAR架构对车载网络、系统内存及总线的诊断功能进行深度管理，它的出现有利于整车电子系统软件的更新与交换，并改善了系统的可靠性和稳定性。目前支持AUTOSAR标准的工具和软件供应商都已经推出了相应的产品，提供需求管理，系统描述，软件构件算法模型验证，软件构建算法建模，软件构件代码生成，RTE生成，ECU配置以及基础软件和操作系统等服务，帮助OEM实现无缝的系统软件架构开发流程。AUTOSAR计划目标主要有三个：1）建立独立于硬件的分层软件架构；2）为实施应用提供方法论，包括制定无缝的软件架构堆叠流程并将应用软件整合至ECU；3）制定各种车辆应用接口规范，作为应用软件整合标准，以便软件构件在不同汽车平台复用。

二、分层概述

AUTOSAR整体框架为分层式设计，以中间件RTE(Runtime Environment)为界，隔离上层的应用层（Application Layer）与下层的基础软件（Basic Software）。图1是AUTOSAR体系架构分层标准。
图 1 AUTOSAR体系架构分层标准

1、           Application Layer（应用层）

应用层中的功能由各软件组件SWC（software component）实现，组件中封装了部分或者全部汽车电子功能，包括对其具体功能的实现以及对应描述，如控制大灯，空调等部件的运作，但与汽车硬件系统没有连接。1） 软件组件SWC（software component）软件组件SWC（software component）是由Atomic component最小逻辑单元组成。Atomic component最小逻辑单元有Application、Sensor/actuator两种类型。其中Application是算法实现类型，能在各ECU上自由映射；Sensor/actuator是为Application提供I/O端口类型，用于与ECU绑定，但不可像Application那样能在各ECU上自由映射。数个SWC的逻辑集合组合成Composition。图2是SWC组成实例。图 22）端口Ports端口Ports是用来和其他SWC通信。通信内容分为Data elements与operations。其中，Data elements用Sender/Receiver通信方式；operations用Client/Server通信方式。图3是通信方式图3发送—接收端口（Sender/Receiver）用来传输数据，具有一个通信端口可以包含多种数据类型特点。但如果一个数据类型要通过总线传输，那么它必须与一个信号对应起来，数据类型既可以是简单的数据类型(integer, float)，也可以是复杂类型(array, record)。通信方式:1:n或n:1。图 4客户端—服务器端口（Client/Serverr）用来提供Operation服务，具有一个客户端—服务器端口可以包含多种Operation和同步或是异步通信特点，一个客户端—服务器端口可以包含多种Operations操作，Operations操作也可被单个调用。通信方式:1:n或n:1。                                                
图 53）可运行实体（Runnables entities）可运行实体（Runnablesentities），简称Runnables。可运行实体包含实际实现的函数，可以是具体的逻辑算法或是实际操作。可运行实体由RTE周期性或是事件触发调用，如当接收到数据。图 6

2、Runtime environment层     （RTE）

中间件部分给应用层提供了通信手段，这里的通信是一种广义的通讯，可以理解成接口，应用层与其他软件体的信息交互有两种，第一种是应用层中的不同模块之间的信息交互；第二种是应用层模块同基础软件之间的信息交互。而RTE就是这些交互使用的接口的集散地，它汇总了所有需要和软件体外部交互的接口。从某种意义上来看，设计符合AUTOSAR的系统其实就是设计RTE。SW-C之间的通信是调用RTE API函数而非直接实现的，都在RTE的管理和控制之下。每个API遵循统一的命名规则且只和软件组件自身的描述有关。具体通信实现取决于系统设计和配置，都由工具供应商提供的RTE Generator自动生成的。在设计开发阶段中，软件组件通信层面引入了一个新的概念，虚拟功能总线VFB（Virtual Functional Bus）。它是对AUTOSAR所有通信机制的抽象，利用VFB，开发工程师将软件组件的通信细节抽象，只需要通过AUTOSAR所定义的接口进行描述，即能够实现软件组件与其他组件以及硬件之间的通信，甚至ECU内部或者是与其他ECU之间的数据传输。图 7从图中可以看到，有三种接口描述，我们先从定义的角度来看这三种接口有什么不同。1.    StandardizedInterface（标准接口）：标准接口是在AUTOSAR标准中被标准化的接口，但是并没有使用AUTOSAR接口技术，标准接口通常被用在某个ECU内部的软件模块之间的通讯，不能用于网络通讯。2.    StandardizedAUTOSAR Interface（标准AUTOSAR接口）：标准AUTOSAR接口是在AUTOSAR标准中使用AUTOSAR接口技术标准化的接口，这样的接口的语法和语义都被规定好了，这样的接口通常使用在AUTOSAR服务中，这样的接口是基础软件服务提供给应用程序的。3.    AUTOSARInterface（AUTOSAR接口）：AUTOSAR接口定义了软件模块和BSW模块（仅仅是IO抽象和复杂驱动）之间交互的方式，AUTOSAR接口是以port的形式出现的，AUTOSAR将ECU内部的通讯和网络通讯使用的接口进行了统一。从上边的定义中我们可以看出不同的接口使用的场景不同，及不同的模块交互会使用到不同的接口。除了将接口归类以外，这样定义究竟有什么实际的意义呢？从实际使用的角度来看，第一和第二类接口都是语法语义标准化的接口，即接口函数的数量、函数的名字、函数参数名字及数量、函数的功能、函数的返回值都已经在标准里边定义好了。不同的公司的软件在实施这些接口的时候虽然内容算法不同，但是它们长相和功能是一致的，接口定义在AUTOSAR规范文档里边是可以查得到的。第三类接口呢，AUTOSAR仅仅规定了简单的命名规则，这类接口高度的和应用相关，比如BCU控制大灯打开的接口可以是Rte_Call_RPort_BeamLight_SetDigOut也可以是Rte_Call_RPort_HeaderLight_Output，公司可以自己定义，又比如仪表想要从CAN总线上获得车速，改接口可以是Rte_IRead_RE_Test_RPort_Speed_uint8也可以是Rte_IRead_Test_RE_RPort_Spd_uint8，这些接口必须通过RTE交互。图 8

3、Basic software层（BSW）

虽然汽车中有各种不同的ECU，它们具有各种各样的功能，但是实现这些功能所需要的基础服务是可以抽象出来的，比如IO操作，AD操作，诊断，CAN通讯，操作系统等，无非就是不同的ECU功能，所操作的IO、AD代表不同的含义，所接收发送的CAN消息代表不同的含义，操作系统调度的任务周期优先级不同。这些可以被抽象出来的基础服务被称为基础软件。根据不同的功能对基础软件继续可以细分成四部分，分别为服务层（Service Layer），ECU抽象层（ECUAbstract Layer），复杂驱动（ComplexDriver）和MCAL（Microcontroller Absstraction Layer），四部分之间的互相依赖程度不尽相同。•     服务层（Service Layer），这一层基础软件提供了汽车ECU非应用相关的服务，包括OS，网络通讯，内存管理（NVRAM），诊断（UDS，故障管理等），ECU状态管理模块等，它们对ECU的应用层功能提供辅助支持，这一层软件在不同领域的ECU中也非常相似，例如不同的ECU中的OS的任务周期和优先级不同，不同的ECU中的NVRAM的分区不同，存储的内容不同。•     ECU抽象层（ECU Abstract Layer），这一层软件提供了ECU应用相关的服务，它是对一个ECU的抽象，它包括了所有的ECU的输入输出，比如AD，DIO，PWM等，这一层软件直接实现了ECU的应用层功能，可以读取传感器状态，可以控制执行器输出，不同领域的ECU会有很大的不同。•     MCAL（Microcontroller Absstraction Layer），这一层软件是对ECU所使用的主控芯片的抽象，它跟芯片的实现紧密相关，是ECU软件的最底层部分，直接和主控芯片及外设芯片进行交互，它的作用是将芯片提供的功能抽象成接口，然后把这些接口提供给上边的服务层/ECU抽象层使用。•     复杂驱动（Complex Drivers），汽车ECU中有一些领域的ECU会处理相当复杂的硬件信号，执行相当复杂的硬件动作，例如发动机控制，ABS等，这些功能相关的软件很难抽象出来适用于所有的汽车ECU，它是跟ECU的应用以及ECU所使用的硬件紧密相关的，属于AUTOSAR构架中在不同的ECU上无法移植的部分。                                                                  图 9                   图10是BSW层中各个子模块说明。图 10

4、Microcontroller层

底层驱动层是由芯片生产厂家提供。

三、开发工具

上图是AutoSar开发流程阶段及各个阶段可以使用的开发工具。从网上调研情况来看，Vector和EB公司有整套的开发工具链。其中，Vector中的DaVinciDeveloper和DaVinci ConfiguratorPro开发工具使用较为普遍，建议采用Vector公司开发工具链。从开发流程上看，各个开发阶段分别都有各自的开发工具：1）  系统设计阶段即需求开发与系统功能设计，采用PREEvision开发工具（价格咨询未回邮件）；2）  SWC功能软件开发阶段即ECU功能描述，采用DaVinciDeveloper开发工；（价格咨询未回邮件）；3）  BSW基础软件及RTE设计，采用DaVinciConfigurator Pro开工具（价格咨询未回邮件）；4） 头文件和C代码采用MATLAB·Simulink工具自动生成。（盗版）上图展示Vector公司开发AutoSar时所用的功能组件，其中红 {MOD}字体是Vector工具链中自带组件。根据需要，暂定需要OS、SYS、DIAG、MEM、COM、CAN、FR、ETH、MCAL组件，价格在咨询当中。黑 {MOD}字体是底层硬件供应商提供。现已咨询到，瑞萨供应商底层驱动售价$20K。

四、开发流程

MATLAB·Simulink和Real-TimeWorkshop Embedded Coder生成AUTOSAR标准的代码是透明和直观的过程，它支持两种不同的工作流程：自上而下和自下而上。我们采用自上而下开发方式。自上而下，从架构模型到Autosar SC。在自上而下的开发流程中，系统工程师使用架构生成工具（如davinci tool suite）来设计整车ECU网络。当然，工程师也可以使用其他的架构设计工具。架构软件会输出一个XML来描述对应的组件，该文件里包含了组件的一些必要信息比如：runnables，接口，数据类型等等。Matlab软件可以利用架构软件生成的XML文件自动创建Simulink架构模型，里面包含了接口模块以及相应的Autosar相关设置。之后系统工程师就可以在该框架模型的基础上，完善内部的控制模块。