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汽车基础软件AutoSAR自学攻略(二)-AutoSAR CP分层架构(1)

article 2025/1/5 4:36:12

汽车基础软件AutoSAR自学攻略(二)-AutoSAR CP分层架构(1)

一、本专栏的动机

下面开始开始AutoSAR的介绍，想必在汽车行业搞软件的人，或多或少都听说过AutoSAR，那为什么AutoSAR能在现在的汽车软件圈如此的火爆，如果找工作的时候不说点自己会AutoSAR，想必都很难通过面试，在汽车基础软件的面试中被淘汰。我接触过很多猎头，基本都要懂AutoSAR，小厂要求你全懂，大厂要求你专精某一块。有些猎头甚至只做和AutoSAR相关岗位的挖人，薪资开的极其诱人，涨薪30%，年薪40-60w+。你要想想，猎头招一个人他要拿你半年薪资的作为他的佣金，真的夸张。但是目前汽车行业的“卷”大家也是有目共睹，现在会AutoSAR也不一定能找到好工作，只能说今时不同往日了。但我们能做什么呢，静中细思，一个行业永远不缺重复工作只会配置的AutoSAR工程师，而是缺能解决问题，带给整个软件团队架构层次效率提升的专家。

为什么AutoSAR越来越多人参与其中，这是因为全球的各大主机厂、Tier1和芯片厂都在围绕这个标准展开合作或者竞争。减少重复造轮子，你不参与其中，那导致可能都没人带你玩（特斯拉除外，他是行业变革者），就是真么现实，你在国内可以不搞AutoSAR，但是你出口到国外的车不符合AutoSAR标准，想必很难通过当地的严苛的检查，这只是其一。下一个就是质量，你用到了供应商提供的BSW软件工具，芯片原厂的驱动，这些工具从根本上给你保证了软件开发的质量，你可能是一个什么都不会的初创公司，工具在手，不说天下第一，也位列江湖一众高手之列，在招聘一些AutoSAR专家+工程师，基本一套控制器软件几个月就能初具雏形，基础软件层面并不比大厂差在哪里。只凭这两个优点，不可能不让各大小厂家投身其中。

目前本专栏的目标是普及AutoSAR相关的标准、方法论、软件的设计思路，以及最重要的软件实战。目标是今年出100篇AutoSAR相关的文章专栏，让我们拭目以待。

二、 AutoSAR的背景与目标

这套AutoSAR的标准全称是“Automotive Open System Architecture”，是由全球主要汽车制造商和供应商于2003年9月成立的联盟，旨在为汽车电子/电气（E/E）架构开发开放且标准化的软件架构。AUTOSAR 于 2003 年 7 月由宝马（Bavarian Motor Works，BMW）、罗伯特博世（Robert Bosch）、大陆集团（Continental）、梅赛德斯-奔驰（原名戴姆勒-奔驰，后为戴姆勒-克莱斯勒）、西门子威迪欧（Siemens VDO）和大众汽车成立，旨在推动汽车电气电子（E/E）架构的开放行业标准。2003 年 11 月，福特汽车公司作为核心合作伙伴加入，12 月，斯特兰蒂斯（原名标致雪铁龙集团，PSA Peugeot Citroën）和丰田汽车公司加入。次年 11 月，通用汽车也成为核心合作伙伴。这些公司负责组织、管理和控制 AUTOSAR 开发伙伴关系。在这个核心中，董事会定义了总体战略和路线图。目前，以下核心合作伙伴支持 AUTOSAR：

两年后，经过众多专家的讨论和修订，第一版AUTOSAR标准于2005年正式发布，该标准发布后立刻引起汽车电子行业的巨大反响，其分层开发和模块化的软件解决方案也得到众多企业包括主机厂、零部件厂和半导体厂商的支持，它们也纷纷加入了AUTOSAR组织。截止到2020年年底，全球共有284家成员。随着汽车行业的发展，AUTOSAR标准也不断更新迭代，目前已经发布了AUTOSAR R23-11。

发展历程：

第一阶段（2004-2006）： 初步开发标准规范，发布了1.0、2.0和2.1版本。
第二阶段（2007-2009）： 补充架构和方法，发布了3.0、3.1和4.0版本。
第三阶段（2010-2013）： 维护和部分改进，发布了3.2、4.1和4.2版本。
当前发展（2019年至今）： 从2019年开始，AUTOSAR采用新的版本命名方式，每年11月发布新版本，版本号以年份加11标定，如R23-11。

当前版本：

Classic Platform（CP）： 主要用于嵌入式实时系统，适用于固定功能的电子控制单元（ECU）。最新版本为R24-11。
Adaptive Platform（AP）： 针对动态可扩展的高性能计算应用，如自动驾驶和高级驾驶辅助系统（ADAS）。最新版本为R24-11。

三、AutoSAR核心思想

3.1 在标准上合作，在实现上竞争

AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）开发联盟倡导“在标准上合作，在实现上竞争”的原则，旨在推动汽车电子行业形成统一的技术标准。这种标准不仅体现在功能和接口上，还涵盖开发方法和流程的标准化。通过这样的统一标准，各个厂商可以在一个开放的平台下展开竞争，各自提供符合标准的创新产品。换句话说，虽然标准是统一的，但软件的具体实现可以各具特色。谁能够在应用层面提供更优质、更高效的实现，谁就能在市场竞争中脱颖而出。

AUTOSAR的核心思想可以概括为“统一标准、分散实现、集中配置”：

统一标准
统一的标准是AUTOSAR理念的基础，它为汽车电子行业提供了一个通用的开放平台。通过标准化，厂商能够减少开发过程中因不兼容而带来的障碍，实现不同供应商产品之间的无缝协作。这种标准化不仅限于软件接口，还包括开发流程和工具的规范化，从而为整个行业的协同合作奠定了基础。
分散实现
虽然标准是统一的，但具体的软件实现是分散的。AUTOSAR倡导一种层次化、模块化的软件架构设计，这种设计思想将应用软件与底层平台进行解耦，降低了不同模块之间的依赖性。例如，不同厂商可以专注于各自的模块开发，这些模块之间可以通过明确的标准接口进行通信。模块化设计还使得系统具有更高的灵活性，方便后续功能的扩展和维护。
集中配置
分散实现的模块可能来自不同的厂商，但它们之间往往存在复杂的依赖关系和交互。为了将这些模块整合成一个完整的系统，AUTOSAR要求将所有模块的配置信息以统一的格式进行集中管理。通过集中配置，可以自动生成系统配置文件，减少人为错误，提高开发效率。

3.2 AUTOSAR的关键技术支撑

在AUTOSAR架构中，汽车电子系统通常包含多个相互关联的AUTOSAR组件。这些组件之间通过**虚拟功能总线（Virtual Functional Bus，VFB）**进行通信。VFB是一种平台无关的通信机制，它为组件之间的交互提供了标准化的接口和服务，屏蔽了底层硬件的差异性，从而实现了平台的抽象化。这种运行环境使开发者能够专注于功能实现，而无需担心具体硬件细节。

3.3 AUTOSAR的目标

AUTOSAR的最终目标是为汽车电子领域建立一套完整、开放且灵活的开发生态系统，具体体现在以下几个方面：

交换格式的标准化
建立统一的数据交换格式，便于不同工具链之间的信息共享和交互。
基础软件的标准化
通过标准化的基础软件模块，简化系统开发，提高模块的可重用性。
接口的标准化
定义标准化的接口，确保不同厂商的模块能够无缝集成。
对单片机的抽象化
屏蔽底层硬件差异，通过抽象化机制实现跨平台兼容。
基于VFB的运行环境
提供统一的运行环境，使得应用开发与底层硬件解耦，促进系统的可移植性和灵活性。

通过“统一标准、分散实现、集中配置”这一核心思想，AUTOSAR为汽车电子开发提供了一个开放、协作的生态系统。它不仅推动了汽车电子行业的标准化进程，也为各厂商的技术创新和市场竞争创造了条件。在这一框架下，开发者能够更加高效地开发出符合标准、具有竞争力的产品，从而推动汽车电子技术的持续进步与发展。

四、 AutoSAR CP的架构

AUTOSAR经典平台（Classic Platform，CP）采用分层架构，将整个系统按照功能和职责划分为多个层级，如图3.19所示。它可以分为四个主要层级：应用软件层（Application Layer）、运行时环境（Runtime Environment，RTE）、基础软件层（Basic Software，BSW），以及底层的硬件（例如微控制器，Microcontroller）。这种分层设计的理念类似于搭建一栋建筑，每一层都有明确的分工和作用，同时通过“楼梯”或“电梯”（接口）进行上下层之间的连接和通信。为了保证架构的清晰性和模块的独立性，每一层通常只能使用下一层提供的接口，同时向上一层提供相应的服务。

以下是对AUTOSAR CP四层架构的详细解读：

1. 应用软件层（Application Layer）

应用软件层位于架构的最顶端，像是整栋大厦的“居住区”，主要承载着应用功能的实现。在这一层中，功能被划分为多个软件组件（Software Components, SWCs），而每个SWC都通过“端口”与其他组件进行交互。这些端口可以被比喻为大厦中的“门窗”，它们连接着组件与外界的通信。

每个SWC包含一个或多个运行实体（Runnable Entities），这些运行实体就像住户中的各种家电设备，它们被封装了相关的控制算法，用于处理特定的任务。运行实体的启动通常由RTE（运行时环境）触发，类似于按下开关启动家电。

2. 运行时环境（Runtime Environment，RTE）

运行时环境可以看作是整栋大厦的“电力网络”或“管道系统”，它负责在应用层与基础软件层之间提供通信机制，同时屏蔽底层实现的差异性。

RTE的核心作用在于通过**虚拟功能总线（Virtual Functional Bus，VFB）**将系统的不同模块连接起来。它是VFB在ECU内部的具体实现，能够使软件组件彼此独立于底层硬件。无论是软件组件之间的通信，还是组件与基础软件的交互，都通过RTE进行标准化管理。可以将RTE看作是“翻译官”，它隐藏了底层基础软件的复杂性，向应用软件提供了一致的接口，从而实现了软硬件分离，使得开发者无需关心硬件的具体实现。

3. 基础软件层（Basic Software，BSW）

基础软件层位于架构的中间部分，是整个系统的“地基”和“骨架”。它为应用层提供各种服务和驱动，并屏蔽了底层硬件的细节。BSW可以进一步划分为以下几个部分：

(1) 服务层（Services Layer）

服务层是基础软件的顶层，类似于为大厦提供服务的“物业管理系统”。它为应用层的SWC提供标准化的服务，例如操作系统功能（如任务调度）、网络通信服务、ECU管理、内存管理、诊断服务以及逻辑和时序监控等功能。通过这些服务，应用层可以专注于业务逻辑，而不需要直接处理底层硬件。

(2) ECU抽象层（ECU Abstraction Layer）

ECU抽象层的作用类似于将大厦中的电力、电信线路等设备进行抽象，它使得软件与具体的硬件设计无关。通过调用下一层的微控制器抽象层，ECU抽象层将硬件特性（例如电压、电流、频率等）转换为高层可理解的信号（例如开/关信号）。这种抽象设计让应用软件开发者无需了解底层硬件的细节。

(3) 微控制器抽象层（Microcontroller Abstraction Layer，MCAL）

微控制器抽象层可以被比喻为大厦中的“机械室”，它直接与硬件设备相连，控制着最底层的微控制器功能（如ADC、看门狗、计时器等）。MCAL为上层提供统一的接口，无论底层使用什么型号的微控制器，上层软件看到的接口始终保持一致。通过这种抽象，当更换硬件平台时，只需调整MCAL层，而无需修改上层软件逻辑，从而大大提高了系统的移植性和灵活性。

(4) 复杂驱动层（Complex Drivers）

复杂驱动层负责为某些复杂的传感器和执行器提供特殊驱动，可以看作是大厦中为某些特殊设备提供的定制化服务。例如，对于一些复杂的应用模块（如喷油量控制、胎压监测等），由于它们可能对时序有严格要求或者难以抽象，开发者会直接将这些设备的驱动放入复杂驱动层中，使其能够直接访问硬件资源。

4. 硬件（如微控制器，Microcontroller）

硬件位于架构的最底层，是整个系统的“地基”。微控制器作为硬件的核心，提供了基本的计算和控制功能。它包含多种外设模块，例如模数转换器（ADC）、计时器、看门狗等。这些硬件资源通过MCAL层向上层暴露统一的接口，从而让软件开发者无需直接面对硬件细节。

总结与比喻

AUTOSAR CP的架构设计就像是建造一栋模块化的智能大厦：

应用软件层是住户及家电设备，它们负责实现最终的功能。
运行时环境是大厦中的电力网络或通信管道，确保各个部分之间的顺畅连接。
基础软件层是大厦的骨架和服务系统，提供稳定的支撑和基础服务。
硬件是地基和机械室，提供底层计算和控制能力。

通过这种分层设计，AUTOSAR实现了功能解耦、软硬分离和平台独立性，从而提高了汽车电子系统的开发效率和模块化程度。这种架构设计不仅让开发变得更加灵活，也为未来的硬件升级和功能扩展提供了坚实的基础。

五、基础软件层（Basic Software，BSW）：AUTOSAR架构的核心支撑

在AUTOSAR经典平台（Classic Platform）中，**基础软件层（Basic Software，BSW）**是整个架构的重要组成部分。它位于运行时环境（Runtime Environment, RTE）之下，硬件抽象层之上，负责为应用层提供底层服务和硬件访问接口。BSW通过模块化设计，将底层硬件和上层应用完全解耦，为整个系统的功能实现和灵活开发提供了坚实的基础。

在这一章中，我们将深入解析BSW的主要组成部分、功能以及其在AUTOSAR架构中的重要性。

1. 基础软件层的作用

基础软件层可以被看作是汽车电子系统的“操作系统”与“驱动程序”。它负责处理从系统初始化到内存管理、通信协议支持等所有与硬件相关的底层操作。BSW的主要作用包括：

硬件抽象：将复杂的硬件细节屏蔽，提供统一的访问接口，使上层软件开发无需关心底层硬件的差异。
系统服务支持：为应用层和运行时环境提供标准化的系统服务，如操作系统服务、通信服务和诊断服务。
模块化与标准化：将功能分为独立模块，每个模块通过标准化接口进行通信，确保系统的可扩展性和兼容性。

2. BSW的主要组成部分

BSW由多个功能模块组成，这些模块按照功能可划分为以下几个子层，每一层都承担特定的职责：

2.1 系统服务层（System Services）

系统服务层是基础软件层的顶层，主要为应用层提供核心支持服务，包括：

操作系统服务（OS Services）：管理任务调度、中断处理和时间服务。
电源管理（ECU State Management）：控制ECU的启动、关闭以及休眠/唤醒过程。
诊断服务（Diagnostic Services）：提供故障检测与报告功能，支持车辆的诊断与维护。

举例：当系统需要切换到低功耗模式时，系统服务层负责协调各个模块，确保切换过程平稳进行。

2.2 内存服务层（Memory Services）

内存服务层主要负责管理ECU中的存储资源，确保数据存取的可靠性和效率。其主要功能包括：

非易失性内存管理（NVM Services）：管理EEPROM或Flash存储器中的数据读写，确保数据的持久化。
内存诊断：检测内存错误，确保存储的可靠性。

举例：在记录车辆故障码时，内存服务层负责将数据安全写入非易失性存储器，以便在车辆断电后仍能保留数据。

2.3 加密服务层（Crypto Services）

加密服务层提供与安全相关的服务，用于实现系统的机密性、完整性和认证。其功能包括：

加密算法支持：为数据通信和存储提供对称与非对称加密。
密钥管理：管理加密密钥的生成、存储和销毁。

举例：在远程软件更新（OTA）过程中，加密服务层确保传输数据的安全性，防止攻击者篡改或窃取数据。

2.4 车外通信服务层（Off-board Communication Services）

这一层专注于车辆与外部设备的通信，如诊断工具、车辆云平台等。其功能包括：

数据传输协议支持：如UDS协议（统一诊断服务）。
远程通信支持：支持无线连接，便于车辆的远程诊断与控制。

举例：在4S店使用诊断工具检测车辆故障时，车外通信服务层负责与诊断工具建立通信。

2.5 通信服务层（Communication Services）

通信服务层负责管理ECU之间的数据交换，支持多种通信协议，包括CAN、LIN、FlexRay和以太网等。其核心功能包括：

网络管理：确保通信网络的初始化、运行和关闭。
信号传输：管理数据打包和传输。

举例：当某个ECU需要将传感器数据发送到另一个ECU时，通信服务层通过CAN或以太网完成这一过程。

2.6 I/O硬件抽象层（I/O Hardware Abstraction）

这一层负责将底层硬件信号（如电平信号、频率信号）抽象为逻辑信号，供上层使用。主要功能包括：

信号转换：将模拟信号转换为数字信号（ADC），或将数字信号输出为PWM信号。
硬件接口：通过标准接口访问传感器和执行器。

举例：制动系统中的压力传感器检测到压力变化后，I/O硬件抽象层将其信号转换为逻辑值，并传递给上层应用。

2.7 复杂驱动层（Complex Drivers）

复杂驱动层用于处理时间敏感性高、复杂性强的硬件驱动。其特点是允许直接访问硬件资源，绕过抽象层，以满足实时性需求。

典型应用：喷油控制、胎压监测。
特点：实现快速响应和高精度的硬件控制。

举例：在控制发动机喷油量时，复杂驱动层直接与喷油器硬件交互，确保控制的精度和速度。

3. BSW的模块化设计

基础软件层的模块化设计是其最大的特点，每个模块都有独立的职责，并通过标准化接口进行通信。这种设计带来的优势包括：

开发灵活性：开发者可以专注于模块内的功能实现，而无需考虑其他模块的实现细节。
维护性：当某个模块需要升级或更换时，只需调整对应接口即可，无需影响整个系统。
供应商协作：不同的供应商可以专注于不同的模块开发，通过标准接口无缝集成。

4. BSW在AUTOSAR中的意义

基础软件层作为AUTOSAR架构的核心部分，承担了桥接硬件与应用的职责。通过标准化的模块设计和功能划分，BSW实现了以下目标：

硬件无关性：通过硬件抽象层，屏蔽底层硬件差异，为应用层提供一致的接口。
性能优化：通过通信服务和内存管理模块，确保系统高效运行。
安全保障：加密服务层提供数据加密和认证功能，满足现代汽车的安全需求。

基础软件层（BSW）是AUTOSAR架构不可或缺的组成部分，它不仅为应用层提供了统一的硬件接口，还通过模块化和标准化设计，极大地提高了系统开发的效率和灵活性。在未来，随着汽车电子系统的复杂化和功能需求的增长，BSW的作用将更加重要，为实现高度智能化和安全可靠的汽车系统奠定基础。

六、AutoSAR开发的优势与挑战

优点：

软件可复用性高： AUTOSAR提倡软件分层、模块化和封装，将软件分为协议栈、硬件、系统服务和应用层等部分。这种分层设计使得软件模块可以在不同项目中重复使用，提高了软件的复用度。
软硬件解耦： 通过标准化接口，AUTOSAR实现了应用软件与基础软件的分离，使得软件能够在不同的硬件平台上运行，无需大幅修改代码，降低了开发和维护成本。
易于维护和升级： 分层设计和标准化接口使得系统维护和更新更加便捷，便于软件的升级和功能扩展。
标准化接口： AUTOSAR采用标准化的接口，确保不同供应商提供的组件能够无缝集成，减少设计错误，提高系统的兼容性和可靠性。
缩短开发周期： 通过减少手动代码量和提高软件质量，AUTOSAR有助于缩短开发周期，提高开发效率。

挑战：