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AUTOSAR 库详解

AUTOSAR标准组件解析系列之库模块详解

1. 概述

1.1 AUTOSAR库的作用

AUTOSAR (AUtomotive Open System ARchitecture) 库是AUTOSAR标准的重要组成部分，为其他BSW (基础软件) 模块和应用软件组件 (SW-C) 提供基础功能支持。这些库提供了通用的、可重用的功能集合，可以被任何软件组件调用，无需通过复杂的RTE (运行时环境) 通信机制，极大地提高了开发效率和代码重用率。

AUTOSAR库提供的功能包括位操作、CRC校验计算、定点和浮点数学计算、插值函数以及端到端通信保护等，这些都是汽车电子控制单元 (ECU) 中常用的基础功能。

1.2 AUTOSAR库的类型

AUTOSAR标准定义了以下几种库：

Bfx (位处理库)：提供位操作相关功能
Crc (CRC校验库)：提供8位、16位、32位和64位CRC校验计算
Mfx (定点数学计算库)：提供定点数学计算功能
Ifx (定点插值函数库)：提供定点数插值功能
Efx (定点扩展函数库)：提供定点数扩展功能
Mfl (浮点数学计算库)：提供浮点数学计算功能
Ifl (浮点插值函数库)：提供浮点数插值功能
E2E (端到端通信保护库)：提供安全相关通信的保护功能

2. AUTOSAR库架构

2.1 整体架构

下图展示了AUTOSAR库的整体架构和组织结构，包括各个库模块及其与调用者的关系：

在这里插入图片描述

图2.1 AUTOSAR库架构图

该架构图清晰地展示了AUTOSAR库的组成部分和调用关系：

库模块组成：
- Bfx (位处理库)：提供位级操作功能，如设置位、清除位、获取位等
- Crc (CRC校验库)：包含8位、16位、32位和64位CRC计算功能
- 定点数计算库：包括Mfx (数学计算)、Ifx (插值函数) 和Efx (扩展函数)
- 浮点数计算库：包括Mfl (数学计算) 和Ifl (插值函数)
- E2E (端到端通信保护库)：为安全相关通信提供保护
调用者：
- BSW模块：基础软件模块可以直接调用库功能
- 软件组件 (SW-C)：应用软件组件可以直接调用库功能
- RTE：运行时环境也可以调用库功能
- 复杂驱动：复杂驱动程序可以调用库功能
库特点：
- 提供C函数接口
- 不依赖BSW模块函数
- 函数可重入
- 不通过端口访问，直接调用
- 函数名统一使用"Library short name_"前缀
- 行为不可配置，确保确定性

2.2 库的分类与功能

AUTOSAR库可根据功能类型分为以下几类：

基础数据处理库：
- Bfx (位处理库)：提供位级操作，如位设置、清除、获取、逻辑操作等
- Crc (CRC校验库)：提供多种标准的CRC校验算法，支持不同的计算方式和多项式
数值计算库：
- 定点数库：包括Mfx (基础数学计算)、Ifx (插值函数) 和Efx (扩展功能)
- 浮点数库：包括Mfl (基础数学计算) 和Ifl (插值函数)
通信保护库：
- E2E (端到端通信保护库)：为安全相关的SW-C间通信提供保护机制

2.3 库在AUTOSAR架构中的位置

下图展示了AUTOSAR库在整个AUTOSAR架构中的位置和与其他模块的关系：

在这里插入图片描述

图2.3 AUTOSAR库与其他模块关系图

该图展示了AUTOSAR库在ECU软件架构中的特殊位置：

库的独立性：
- 库不属于传统的BSW层次结构（服务层、ECU抽象层、微控制器抽象层）
- 库提供横向服务，可被任何层级的组件调用
调用关系：
- 应用层软件组件可以直接调用库（虚线所示），而不通过RTE
- RTE可以调用库
- 所有BSW层组件（服务层、ECU抽象层、微控制器抽象层）都可以调用库
- 操作系统(OS)和ECU管理器(EcuM)也可以调用库
特殊性质：
- 库在ECU初始化最早阶段就可用
- 库可在ECU关闭最后阶段仍然可用
- 库不依赖于任何BSW模块
- 库通过直接调用方式使用，不经过RTE或端口机制

3. AUTOSAR库接口

3.1 接口设计原则

AUTOSAR库的接口设计遵循以下几个关键原则：

标准化：所有库函数使用统一的命名规则和接口风格
简单直接：不使用复杂的配置或调用机制，直接通过C函数调用
可重入性：所有库函数都必须是可重入的，以支持多任务环境
独立性：库函数不依赖其他BSW模块，只能调用其他库函数
确定性：对于给定的输入，库函数必须产生确定的输出，行为不可配置

3.2 库接口结构

下图展示了AUTOSAR库的接口结构和调用方式：

在这里插入图片描述

图3.2 AUTOSAR库接口类图

该类图详细说明了AUTOSAR库的接口结构：

库函数命名规则：
- 所有函数名以库的短名称为前缀，如Bfx_GetBit()、Crc_CalculateCRC32()
- 命名风格统一，确保可识别性和可读性
库接口特点：
- 每个库提供一个独立的头文件（如Bfx.h、Crc.h等）
- 头文件定义库的公共接口
- 头文件可能定义特定类型（如果AUTOSAR标准类型不足）
- 调用者直接包含库头文件，不通过RTE或端口机制
库的直接调用：
- 通过C标准的#include机制包含头文件
- 直接调用函数，无需通过RTE或端口
- 库函数行为确定不可配置
类型定义：
- 库可以定义自己的特定类型，但仅限于AUTOSAR标准类型（如std_types.h）中未定义的类型
- 类型名称也使用库短名称前缀

3.3 库的使用方式

AUTOSAR库的使用方式非常直接：

包含库头文件：

#include "Bfx.h"   // 包含位处理库
#include "Crc.h"   // 包含CRC校验库

直接调用库函数：

boolean bitValue = Bfx_GetBit(data, position);     // 获取位值
uint32 crcValue = Crc_CalculateCRC32(data, length, initialValue); // 计算CRC

函数调用特点：
- 调用不通过RTE或端口机制
- 库函数行为确定，不可配置
- 函数可在任何执行上下文中调用（任务、中断等）

4. AUTOSAR库调用机制

4.1 调用流程

下图展示了AUTOSAR库的调用流程和不同调用场景：

在这里插入图片描述

图4.1 AUTOSAR库调用流程序列图

该序列图说明了库调用流程的几个重要方面：

初始化阶段调用：
- 库在ECU启动最早阶段即可用
- 库不需要初始化
- OS/EcuM可以在初始化阶段调用库函数
BSW模块调用：
- BSW模块包含库头文件
- 直接调用库函数
- 库函数可调用其他库函数
- 库函数不能调用BSW模块函数
软件组件调用：
- 软件组件直接包含头文件（不通过RTE）
- 直接调用库函数
- 调用方式简单高效

4.2 错误处理机制

AUTOSAR库有统一的错误处理机制：

参数检查：
- 库函数在运行时检查输入参数
- 捕获错误情况如除以零、超出范围等
- 根据SWS规定，对错误情况返回固定值
- 返回值不可配置，确保行为一致
错误响应：
- 库函数不使用DET（默认错误跟踪器）或其他BSW错误处理机制
- 库函数必须自己处理错误并返回适当的错误值
- 错误处理逻辑必须内置在库函数中

4.3 分步计算机制

对于处理大量数据的库函数（特别是CRC计算），AUTOSAR提供了分步计算机制：

CRC分步计算：
- 支持分块计算大数据块
- 首次调用使用初始值（通常为0）
- 后续调用使用前一次计算的结果作为新的初始值
- 可避免长时间阻塞系统
- 允许看门狗重置
调用示例：

// 第一步：计算前16字节的CRC，初始值为0
uint32 crcValue = Crc_CalculateCRC32(dataChunk1, 16, 0);

// 第二步：计算接下来16字节的CRC，使用上一步的结果作为初始值
crcValue = Crc_CalculateCRC32(dataChunk2, 16, crcValue);

// 继续处理后续数据块...

5. AUTOSAR库的关键要求

5.1 功能要求

AUTOSAR对库模块提出了以下功能要求：

初始化与关闭：
- [SRS_LIBS_00002] 库必须在所有BSW模块和应用SW-C初始化之前即可操作
- [SRS_LIBS_00003] 库必须在关闭阶段仍然可操作，直到shutdown
- 库不需要初始化操作
接口规范：
- [SRS_LIBS_00004] 使用库不需要通过端口（直接调用）
- [SRS_LIBS_00005] 每个库必须提供一个头文件，命名为<library short name>.h
- [SRS_LIBS_00011] 所有函数名和类型名必须以"Library short name_"为前缀
行为配置：
- [SRS_LIBS_00001] 库函数的功能行为不可配置
- [SRS_LIBS_00015] 可以配置微控制器，使库代码在所有调用者之间共享
内部调用限制：
- [SRS_LIBS_00018] 库函数只能调用其他库函数，不能调用BSW模块函数

5.2 非功能要求

AUTOSAR还对库模块提出了以下非功能要求：

重入性：
- [SRS_LIBS_00009] 所有库函数必须是可重入的
- 函数必须能处理来自多个任务的并发调用
性能优化：
- [SRS_LIBS_08518] CRC库必须提供不同的计算方法，优化性能或内存使用
- [SRS_LIBS_08521] 所有CRC例程必须支持大数据块的分步计算
错误处理：
- [SRS_LIBS_00013] 运行时检查输入参数的错误情况必须在SWS中列出
- 对于每种错误情况，必须返回SWS中规定的固定值
标准合规：
- [SRS_LIBS_08525] CRC库必须支持标准生成多项式
- [SRS_LIBS_08526] CRC库必须支持当前CRC计算标准

5.3 兼容性要求

为确保向后兼容性和稳定性，AUTOSAR对库接口提出了以下兼容性要求：

接口稳定性：
- [SRS_LIBS_00008] 一旦函数原型名称成为AUTOSAR最终发布的一部分，其行为和参数就不能再改变
- 如果需要修改规范，必须创建新的函数原型，保留旧的函数原型不变
类型定义：
- [SRS_LIBS_00010] 库只能定义自己的特定类型，前提是这些类型尚未被AUTOSAR定义
- 类型必须在库头文件中定义
参数传递：
- [SRS_LIBS_00012] 允许使用结构体传递参数
- 当参数较多或功能分组需要时，可以使用结构体简化调用
非AUTOSAR库：
- [SRS_LIBS_00016] 软件组件可以使用市场上可获得的非AUTOSAR库
- 供应商特定库应使用特定前缀以避免名称冲突

6. 总结

AUTOSAR库是AUTOSAR标准的重要组成部分，为整个软件架构提供了基础的、可重用的功能模块。它们具有以下关键特性：

直接可用性：
- 库不需要初始化，在ECU启动最早阶段即可使用
- 库在关闭阶段仍然可用
- 库提供直接的C函数接口，不通过RTE或端口机制
独立性：
- 库不依赖其他BSW模块
- 库函数只能调用其他库函数
- 所有库函数必须是可重入的
标准化：
- 统一的命名规则（"Library short name_"前缀）
- 每个库提供一个标准头文件
- 函数行为一致且不可配置
基础功能覆盖：
- 位处理（Bfx）
- CRC校验（Crc）
- 定点和浮点数学计算（Mfx、Mfl）
- 插值函数（Ifx、Ifl）
- 端到端通信保护（E2E）