AUTOSAR的基本概念

1引言

近年來(lái)，越來(lái)越多的公司采用AUTOSAR工具鏈進(jìn)行車載ECU軟件開(kāi)發(fā)，這對(duì)采用傳統(tǒng)手寫代碼方式設(shè)計(jì)程序的工程師而言是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。 （1）AUTOSAR規(guī)范涉及到很多全新的概念，像RTE、SWC、BswM這些概念，很多手寫代碼多年的老工程師也是不懂的。 （2）C語(yǔ)言編程和使用工具鏈配置的方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，在思路上存在不小的差異，在開(kāi)發(fā)方式切換的過(guò)程中可能感到諸多不適應(yīng)。 （3）雖然AUTOSAR規(guī)范也是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的且源程序可見(jiàn)，但由于模塊繁多且每個(gè)功能塊所含的代碼量過(guò)于龐大，短期內(nèi)很難再用“把每行代碼搞清楚”的方式保證程序質(zhì)量，而且在程序執(zhí)行異常時(shí)由于對(duì)代碼不熟悉，即使是有著多年C編程經(jīng)驗(yàn)的老工程師，也可能會(huì)有“問(wèn)題查找無(wú)從下手”的感覺(jué)。 針對(duì)以上問(wèn)題，我想從傳統(tǒng)的手工編程入手，逐一介紹AUTOSAR的基本概念和使用工具鏈開(kāi)發(fā)的思路方法，希望對(duì)從手寫代碼切換至工具鏈開(kāi)發(fā)的車載嵌入式軟件工程師有一點(diǎn)點(diǎn)幫助。 由于我學(xué)習(xí)使用AUTOSAR工具鏈的時(shí)間不長(zhǎng)，很多概念和方法屬于“現(xiàn)學(xué)現(xiàn)賣”的階段，又在文中加入了不少自己的理解和感悟，其中的錯(cuò)誤在所難免，懇請(qǐng)廣大同行們批評(píng)指正，共同進(jìn)步。

2控制實(shí)例

在本文中，我們以應(yīng)用在某重卡主駕座椅上的“ECAS控制器”為例，說(shuō)明RTE的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。該控制器的核心功能是“將座椅高度始終保持在設(shè)定位置上”，通過(guò)控制進(jìn)氣閥和排氣閥的開(kāi)閉調(diào)節(jié)空氣彈簧的充氣量，從而實(shí)現(xiàn)加載在座椅的重量發(fā)生變化時(shí)（不坐人或坐不同重量的人）其高度始終不變。表2-1為與之相關(guān)的主要部件及其功用。 表2-1:座椅ECAS控制器相關(guān)主要部件及其功用

3基本概念

為表述方便，首先對(duì)本文中出現(xiàn)的概念或術(shù)語(yǔ)進(jìn)行說(shuō)明，文中黑體字為“官方定義”，紅體字加入了本人的理解。 注：由于AUTOSAR規(guī)范本身非本文討論的范疇，其中的通用知識(shí)（如：分層架構(gòu)、ARXML文件等）文中不再涉及，讀者可參照各類資料學(xué)習(xí)掌握。

3.1車載嵌入式軟件概念

（1）基礎(chǔ)軟件：包括微控制器驅(qū)動(dòng)、外圍芯片驅(qū)動(dòng)、嵌入式操作系統(tǒng)、軟件整體架構(gòu)和集成等，部分公司稱其為“驅(qū)動(dòng)和架構(gòu)”。 （2）應(yīng)用層軟件：主要涉及到特定ECU的控制邏輯和算法等，部分公司稱其為“算法和邏輯”。 大多數(shù)車載ECU軟件的核心由輸入、處理和輸出3部分組成，基礎(chǔ)軟件主要負(fù)責(zé)“輸入和輸出”部分，應(yīng)用層軟件專注于“處理”部分。

3.2 AUTOSAR規(guī)范概念

（1）RTE：運(yùn)行時(shí)環(huán)境。作為應(yīng)用軟件層與基礎(chǔ)軟件層交互的橋梁，為軟硬件分離提供了可能。可以實(shí)現(xiàn)軟件組件間、基礎(chǔ)軟件間以及軟件組件與基礎(chǔ)軟件之間的通信。RTE封裝了基礎(chǔ)軟件層的通信和服務(wù)，為應(yīng)用層組件提供了標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)軟件和通信接口，使得應(yīng)用層可以通過(guò)RTE接口函數(shù)調(diào)用基礎(chǔ)軟件的服務(wù)。此外，RTE抽象了ECU之間的通信，即RTE通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化的接口將其統(tǒng)一為軟件組件之間的通信。 舉例來(lái)說(shuō)，如果要設(shè)計(jì)“座椅ECAS控制器”的軟件，程序首先要獲取座椅的當(dāng)前高度和目標(biāo)高度，通過(guò)一系列算法處理（如PID算法），計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻氣囊進(jìn)氣口和出氣口的狀態(tài)，最后控制電磁閥進(jìn)行座椅高度調(diào)節(jié)。這里面“采集座椅當(dāng)前高度”由ADC模塊完成，“控制空氣彈簧進(jìn)氣口和出氣口的電磁閥”由DO模塊完成，這兩者是基礎(chǔ)軟件的工作；“通過(guò)算法得到空氣彈簧進(jìn)氣口和出氣口的狀態(tài)”由應(yīng)用層軟件完成。而“將基礎(chǔ)軟件采集到的高度傳遞給應(yīng)用層”和“將應(yīng)用層的電磁閥控制指令傳遞給基礎(chǔ)軟件層”，就是RTE的任務(wù)了。 （2）SWC：軟件組件。封裝了部分或全部汽車電子功能的模塊，包括了其具體的功能實(shí)現(xiàn)以及對(duì)應(yīng)的描述。 軟件組件可以理解為“一系列程序文件（函數(shù)）的集合”。 （3）Port：端口。根據(jù)輸入輸出方向可分為需型端口（Require Port，RPort，用于從其它軟件組件獲得所需數(shù)據(jù)或者所請(qǐng)求的操作）、供型端口（Provide Port，PPort，用于對(duì)外提供某種數(shù)據(jù)或者某類操作）與供需端口（Provide and Require Port，PRPort，兼有需型端口與供型端口的特性）。 AUTOSAR規(guī)范中的“端口”相當(dāng)于C語(yǔ)言中的“變量”，它的“變量類型”就是下面要介紹的“端口接口”。 （4）Interface：端口接口。由于端口僅僅定義了方向，AUTOSAR中用端口接口（Port Interface）來(lái)表征端口的屬性，常用端口接口包括如下兩種類型： ①發(fā)送者-接收者接口（Sender-Receiver Interface, S/R），用于數(shù)據(jù)的傳遞關(guān)系； ②客戶端-服務(wù)器接口（Client-Server Interface, C/S），用于操作（Operation,OP），即函數(shù)調(diào)用關(guān)系。

對(duì)于引用“發(fā)送者-接收者”接口的一組端口而言，需型端口為接收者，供型端口為發(fā)送者；對(duì)于引用“客戶端-服務(wù)器”接口的一組端口而言，需型端口為客戶端，供型端口為服務(wù)器。 AUTOSAR規(guī)范中的“端口接口”相當(dāng)于C語(yǔ)言中的“結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型”，每個(gè)接口由一個(gè)或多個(gè)“數(shù)據(jù)元素”組成，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)體的成員。但和數(shù)據(jù)類型不同的是，除了其包含的每個(gè)數(shù)據(jù)元素分別有一個(gè)數(shù)據(jù)類型之外，每個(gè)接口還有一個(gè)自己的類型，“S/R”類型表示數(shù)據(jù)傳遞，相當(dāng)于C語(yǔ)言中的“b = a”；“C/S”類型表示函數(shù)調(diào)用，相當(dāng)于C語(yǔ)言中的“b = func(a)”。

3.3信號(hào)

（1）系統(tǒng)信號(hào)：車載CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，即某ECU從CAN網(wǎng)絡(luò)接收和向CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的信號(hào)。 （2）內(nèi)部信號(hào)：不同SWC間交互的信號(hào)。

4手寫代碼實(shí)現(xiàn)方法

這里所說(shuō)的“手寫代碼”是指車載ECU程序的基礎(chǔ)軟件部分，應(yīng)用層軟件使用simulink等工具建模完成，下面以“座椅ECAS控制器”程序?yàn)槔?，介紹基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用層軟件的“RTE”部分如何用手工編程的方式實(shí)現(xiàn)。

4.1參數(shù)接口

首先需要明確基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用層軟件的參數(shù)接口，如表4-1所列。 表4-1:座椅ECAS控制器基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用層軟件的參數(shù)接口

4.2函數(shù)接口

表4-2列出了基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用層軟件之間的函數(shù)接口。 表4-2:座椅ECAS控制器基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用層軟件的函數(shù)接口

4.3代碼實(shí)現(xiàn)

這里使用2個(gè)源文件標(biāo)識(shí)座椅ECAS控制器RTE手寫代碼實(shí)現(xiàn)方法，圖4-1和圖4-2分別為logic.c和main.c的代碼截圖。 圖4-1:?邏輯模塊RTE實(shí)現(xiàn)手寫代碼截圖 ? 圖4-2:?主模塊RTE實(shí)現(xiàn)手寫代碼截圖 ?

5 AUTOSAR工具鏈實(shí)現(xiàn)方法

AUTOSAR主流工具鏈大多由德國(guó)公司提供，包括Vector、ETAS、EB等，本文以ETAS公司的ISOLAR-AB工具為例講述RTE的開(kāi)發(fā)步驟，主要涉及到其中的2個(gè)子工具。 ISOLAR-A：進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)。 RTA-RTE：進(jìn)行接口設(shè)計(jì)。 AUTOSAR工具鏈中的“架構(gòu)設(shè)計(jì)”即應(yīng)用層軟件組件的設(shè)計(jì)，可分為自上而下和自下而上2種開(kāi)發(fā)方式?！白陨隙隆笔侵冈贗SOLAR-A中創(chuàng)建應(yīng)用層SWC及其所包含的端口，再在Simulink中導(dǎo)入該SWC的arxml文件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯和算法開(kāi)發(fā)；“自下而上”是指在Simulink中創(chuàng)建端口、運(yùn)行實(shí)體等SWC元素，再在ISOLAR-A中導(dǎo)入對(duì)應(yīng)arxml文件生成SWC。本文采用“自上而下”的開(kāi)發(fā)方式。 下面介紹如何使用AUTOSAR工具鏈方式實(shí)現(xiàn)座椅ECAS控制器的RTE部分。

5.1工程導(dǎo)入

打開(kāi)“ISOLAR-AB 4.0.2”環(huán)境，選擇“File -> Import -> Existing Projects into Workspace”，點(diǎn)擊“Next”。 按照?qǐng)D5-1所示的方法將所用工程導(dǎo)入。 圖5-1: ISOLAR-AB工程導(dǎo)入方法 ?

5.2軟件組件創(chuàng)建

座椅ECAS控制器需要?jiǎng)?chuàng)建3個(gè)軟件組件，如表5-1所列。 表5-1:座椅ECAS控制器軟件組件

下面以Controller_SWC為例，介紹軟件組件的創(chuàng)建步驟，其余2個(gè)軟件組件的創(chuàng)建與之類似。

5.2.1文件夾創(chuàng)建

在“...srcASW”路徑下創(chuàng)建“Controller_SWC”文件夾，再在其中創(chuàng)建“src”和“arxml”兩個(gè)子文件夾。

5.2.2為控制軟件組件創(chuàng)建arxml描述文件

在工程名上右鍵“New -> AUTOSAR File”，彈出圖5-3所示的對(duì)話框，這里新建一個(gè)名為“Controller_SWC.arxml”的描述文件，并同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)名為“Controller_SWC”的AR Package。 圖5-2: arxml描述文件創(chuàng)建啟動(dòng) 圖5-3:?控制軟件組件arxml描述文件創(chuàng)建界面 ?

5.2.3創(chuàng)建控制軟件組件

按照?qǐng)D5-4和圖5-5所示的方法創(chuàng)建控制軟件組件。 圖5-4:?軟件組件創(chuàng)建啟動(dòng) 圖5-5:?控制軟件組件創(chuàng)建操作示意圖 ?

5.2.4文件移動(dòng)

在“...srcBSW”路徑下找到“Controller_SWC.arxml”，并將其剪切到“...srcASWController_SWCarxml”位置。

5.3接口創(chuàng)建

座椅ECAS控制器需要?jiǎng)?chuàng)建的接口如表5-2所列，下面以“hld_Mw_objectLevel”為例講述S/R接口的設(shè)計(jì)步驟，其余接口與之類似。 表5-2:座椅ECAS控制器需創(chuàng)建的接口

5.3.1接口創(chuàng)建

按照?qǐng)D5-6和5-7所示創(chuàng)建接口。 圖5-6: S/R接口創(chuàng)建啟動(dòng) 圖5-7:?接口創(chuàng)建過(guò)程 ?

5.3.2添加接口的數(shù)據(jù)元素

按照?qǐng)D5-8和5-9所示添加接口的數(shù)據(jù)元素。 圖5-8:?添加接口數(shù)據(jù)元素 圖5-9:?選擇接口數(shù)據(jù)元素的數(shù)據(jù)類型 ?

5.4軟件組件行為設(shè)計(jì)

下面對(duì)表5-1所列3個(gè)軟件組件的行為進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照如下步驟進(jìn)行。

5.4.1創(chuàng)建軟件組件內(nèi)部行為

按照?qǐng)D5-10所示依次創(chuàng)建Controller_SWC、AlgorithmInput_SWC和AlgorithmActuator_SWC的內(nèi)部行為。 圖5-10:?軟件組件內(nèi)部行為創(chuàng)建 ?

5.4.2添加軟件組件端口

控制軟件組件、算法輸入軟件組件和算法執(zhí)行軟件組件須添加的端口分別如表5-3、表5-4和表5-5所列。 表5-3:控制軟件組件端口表

表5-4:算法輸入軟件組件端口表

表5-5:算法輸出軟件組件端口表

圖5-11為添加軟件組件端口的方法。 圖5-11:?添加軟件組件端口 ?

5.4.3添加運(yùn)行實(shí)體

運(yùn)行實(shí)體即在SWC中執(zhí)行的函數(shù)?？刂栖浖M件、算法輸入軟件組件和算法執(zhí)行軟件組件須添加的運(yùn)行實(shí)體分別如表5-6、表5-7和表5-8所列。 表5-6:控制軟件組件運(yùn)行實(shí)體

表5-7:算法輸入軟件組件運(yùn)行實(shí)體

表5-8:算法執(zhí)行軟件組件運(yùn)行實(shí)體

圖5-12為添加運(yùn)行實(shí)體的方法。 圖5-12:?添加軟件組件運(yùn)行實(shí)體 ?

5.4.4添加運(yùn)行實(shí)體與所屬軟件組件的端口訪問(wèn)

本步的目的是添加與SWC中每個(gè)運(yùn)行實(shí)體相關(guān)的端口，可以簡(jiǎn)單的理解為添加某個(gè)函數(shù)（即運(yùn)行實(shí)體）需要用到的變量（即端口）。這里將控制軟件組件、算法輸入軟件組件和算法執(zhí)行軟件組件中的全部端口分別添加到Controller_step、AlgorithmInput和AlgorithmOutput運(yùn)行實(shí)體中。 圖5-13為添加運(yùn)行實(shí)體與所屬軟件組件端口訪問(wèn)的方法。 圖5-13:?添加運(yùn)行實(shí)體與所屬軟件組件的端口訪問(wèn) ?

5.4.5添加運(yùn)行實(shí)體的RTE事件

將Controller_step、AlgorithmInput和AlgorithmOutput運(yùn)行實(shí)體均配置為“周期性事件”，周期0.02s。 圖5-14:?添加運(yùn)行實(shí)體的RTE事件 ?

5.5軟件組件添加

前面創(chuàng)建了3個(gè)軟件組件及其內(nèi)部行為，這里將這些SWC與座椅控制器相關(guān)聯(lián)。

5.5.1將軟件組件加入部件

如果把軟件組件比作程序的“積木”，“部件”就相當(dāng)于“積木箱”，圖5-15和圖5-16為將SWC加入部件的步驟。 圖5-15:?軟件組件加入部件操作啟動(dòng)? 圖5-16:?軟件組件加入部件操作 ?

5.5.2將軟件組件映射到座椅控制器

將前面創(chuàng)建的3個(gè)SWC映射到座椅ECAS控制器軟件中，如圖5-17所示。 圖5-17:?軟件組件向ECU映射 ?

5.6信號(hào)連接

由于座椅ECAS控制器僅涉及到3個(gè)SWC間信號(hào)的傳遞，故只需要連接“內(nèi)部信號(hào)”即可，如圖5-18和圖5-19所示。 圖5-18:?內(nèi)部信號(hào)連接啟動(dòng) 圖5-19:?座椅ECAS系統(tǒng)連接的內(nèi)部信號(hào) ?

5.7運(yùn)行實(shí)體調(diào)度

將AlgorithmInput、Controller_step和AlgorithmOutput添加到操作系統(tǒng)20ms周期性執(zhí)行的任務(wù)中，注意次序不要弄反。

5.8代碼生成

接下來(lái)就是生成代碼了，分為軟件組件抽取、RTE代碼生成和SWC代碼生成3個(gè)步驟。

5.8.1軟件組件抽取

“抽取”的含義就是將屬于座椅ECAS控制器軟件的3個(gè)SWC拿過(guò)來(lái)用，如圖5-20所示（上節(jié)的運(yùn)行實(shí)體調(diào)度操作應(yīng)在抽取之后完成）。 圖5-20:?軟件組件抽取操作 ?

5.8.2 RTE代碼生成

如圖5-21所示。

圖5-21: RTE代碼生成操作 ?

5.8.3 SWC代碼生成

座椅ECAS控制器軟件僅需按照?qǐng)D5-22和圖5-23所示生成算法輸入軟件組件和算法執(zhí)行軟件組件的代碼，控制軟件組件在simulink環(huán)境下建模完成，只需提交Controller_SWC.arxml給應(yīng)用層就可以了。 圖5-22: SWC代碼生成啟動(dòng) ? 圖5-23: SWC代碼生成操作 ?

5.9代碼添加

最后我們看看用AUTOSAR工具鏈自動(dòng)生成的代碼是什么樣子的，圖5-24和圖5-25分別為算法輸入軟件組件和算法執(zhí)行軟件組件的代碼截圖。 圖5-24:?算法輸入軟件組件代碼截圖 圖5-25:?算法執(zhí)行軟件組件代碼截圖 ?

5.10事項(xiàng)說(shuō)明

下面針對(duì)一些未明確事項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明。

5.10.1系統(tǒng)信號(hào)連接

座椅ECAS控制器軟件沒(méi)有涉及到系統(tǒng)信號(hào)，但對(duì)于大部分車載ECU來(lái)說(shuō)，與車載CAN網(wǎng)絡(luò)的交互（從CAN網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)和向CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)）是必不可少的，此時(shí)可參照?qǐng)D5-26的方法進(jìn)行系統(tǒng)信號(hào)連接。

圖5-26:?系統(tǒng)信號(hào)連接啟動(dòng) ?

5.10.2控制軟件組件初始化函數(shù)調(diào)用

細(xì)心的讀者可能會(huì)注意到，在工具鏈實(shí)現(xiàn)RTE的過(guò)程中，并沒(méi)有涉及算法模塊初始化函數(shù)Controller_initialize的調(diào)用。因?yàn)檫@涉及到AUTOSAR的一個(gè)重要的BSW模塊- EcuM的使用，我們留待下篇再講，可以期待一下。

6結(jié)論

綜上可以看出，單就RTE實(shí)現(xiàn)而言，AUTOSAR工具鏈方式要比傳統(tǒng)手工編程方式復(fù)雜，但也體現(xiàn)出了如下優(yōu)點(diǎn)：軟件組件獨(dú)立，功能劃分明確；使用標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)環(huán)境，模塊獨(dú)立開(kāi)發(fā)便于項(xiàng)目組成員協(xié)同工作。特別是在大型車載ECU軟件中，使用AUTOSAR工具鏈方式可以極大的保證軟件質(zhì)量、縮短開(kāi)發(fā)周期。