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AUTOSAR 持久化功能集群解析

1. 引言

AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture) 适配平台中的持久化功能集群(Persistency Functional Cluster)是一个核心组件，为应用程序提供数据持久化服务。本文档详细分析了AUTOSAR持久化功能集群的架构、主要组件和工作流程，基于AUTOSAR AP SWS Persistency规范。

1.1 持久化功能集群的目的与价值

持久化功能集群解决了以下关键需求：

• 提供安全、可靠的数据存储机制
• 支持应用程序配置和状态保存
• 确保数据在电源循环和系统更新过程中的一致性
• 通过冗余和加密机制保护关键数据
• 支持系统更新和迁移过程中的数据管理

1.2 持久化功能集群的主要特性

持久化功能集群提供两种主要的持久化机制：

1. Key-Value存储：用于存储结构化数据和配置参数
2. 文件存储：用于存储和管理文件类型的数据

同时支持以下关键功能：

• 数据加密和解密
• 冗余机制确保数据完整性
• 支持数据安装和更新
• 资源使用限制和监控
• 错误处理和报告机制

2. 持久化功能集群架构

2.1 整体架构

下图展示了AUTOSAR持久化功能集群的整体架构，包括内部组件和与其他功能集群及底层服务的交互关系：

2.1.1 架构组件说明

• 应用层：

  • 适配性应用(Adaptive Application)：使用持久化API存储和检索数据

• 持久化功能集群：

  • Key-Value存储：提供键值对形式的数据存储和检索
  • 文件存储：提供文件操作接口和管理
  • 持久化核心功能：
    • 更新处理程序：管理持久化数据的更新流程
    • 冗余管理器：实现数据冗余和恢复机制
    • 安全处理程序：负责数据加密和完整性保护
  • 错误处理程序：管理错误状态和错误报告

• 适配平台其他功能集群：

  • Crypto API：提供加密和哈希算法支持
  • Log & Trace：记录诊断信息和错误日志
  • 资源管理：控制存储资源的分配和限制

• 底层服务：

  • 文件系统：提供文件操作原语
  • 存储设备驱动：硬件抽象层

• 物理存储设备：实际的存储硬件

2.1.2 组件间关系

• 适配性应用通过API接口与Key-Value存储和文件存储交互
• Key-Value存储和文件存储都依赖于更新处理程序进行配置更新
• 冗余管理器负责在数据损坏时进行恢复
• 安全处理程序与Crypto API交互实现加密功能
• 错误处理程序将错误信息传递给Log & Trace功能
• 持久化数据最终通过文件系统和存储设备驱动写入物理存储设备

2.2 Key-Value存储类结构

Key-Value存储模块提供键值对形式的数据持久化，支持多种数据类型和操作：

2.2.1 主要类和接口

• KeyValueStorage：

  • 核心类，提供键值对操作接口
  • 支持同步和异步操作模式
  • 提供事务性操作支持
  • 管理键值对的读写访问

• 全局函数：

  • OpenKeyValueStorage：初始化并获取KeyValueStorage实例
  • RecoverKeyValueStorage：恢复损坏的存储
  • ResetKeyValueStorage：重置存储内容
  • GetCurrentKeyValueStorageSize：获取存储空间使用情况

• KeyValueStorageSettings：

  • 配置Key-Value存储的行为
  • 定义存储类型和冗余策略
  • 配置加密和验证密钥

• Result<T>：

  • 通用模板类，用于返回操作结果
  • 包含成功结果或错误代码

• ErrorCode：

  • 枚举类型，定义所有可能的错误代码
  • 用于错误处理和报告

2.2.2 支持的数据类型

Key-Value存储支持多种数据类型：

• 基本数据类型：布尔、整数、浮点数等
• 字符串类型：标准字符串和字符串视图
• 容器类型：向量、映射、集合等
• 复杂数据类型：Optional、Variant等
• 自定义序列化类型：用户定义的可序列化类型

2.2.3 KeyValueStorage操作流程

Key-Value存储的典型操作流程包括：

1. 通过OpenKeyValueStorage获取存储实例
2. 使用SetValue/GetValue存储和检索数据
3. 使用SyncToStorage确保数据持久化
4. 需要时使用DiscardPendingChanges放弃未保存的更改
5. 使用RemoveKey删除不再需要的键

2.3 文件存储类结构

文件存储模块提供文件操作接口，支持安全、可靠的文件访问：

2.3.1 主要类和接口

• FileStorage：

  • 提供文件存储的主要接口
  • 支持文件创建、打开、关闭和删除
  • 提供文件信息查询功能
  • 管理文件的访问权限

• UniqueHandle<AccessorType>：

  • 使用RAII模式管理文件资源
  • 确保文件正确关闭
  • 防止资源泄露

• ReadOnlyAccessor：

  • 提供文件只读操作
  • 支持定位和读取操作
  • 获取文件大小和位置

• ReadWriteAccessor：

  • 继承自ReadOnlyAccessor
  • 添加文件写入功能
  • 支持同步和文件大小调整

• FileInfo：

  • 保存文件元数据
  • 包含创建时间、修改时间、访问时间
  • 记录文件创建和修改状态

• 全局函数：

  • OpenFileStorage：初始化并获取FileStorage实例
  • RecoverAllFiles：恢复损坏的文件
  • ResetAllFiles：重置存储内容
  • GetCurrentFileStorageSize：获取存储空间使用情况

2.3.2 文件访问模式

文件存储支持不同的访问和创建模式：

• AccessMode：

  • kReadOnly：只读访问
  • kReadWrite：读写访问

• CreateMode：

  • kCreateNew：创建新文件，如已存在则失败
  • kCreateOrOpen：打开现有文件或创建新文件
  • kOpenExisting：打开现有文件，如不存在则失败

2.3.3 文件存储操作流程

文件存储的典型操作流程包括：

1. 通过OpenFileStorage获取存储实例
2. 使用GetHandle获取文件访问器
3. 使用Read/Write方法读写文件内容
4. 使用SyncToFile确保数据持久化
5. 让UniqueHandle自动关闭文件或手动调用reset()方法
6. 使用RemoveFile删除不再需要的文件

3. 持久化数据更新和冗余管理流程

持久化功能集群提供数据更新和冗余管理机制，确保数据的安全和完整性：

3.1 更新流程各阶段说明

3.1.1 初始状态和检查更新

• 初始状态：

  • 系统启动或外部触发更新请求
  • 初始化更新环境和资源

• 检查更新：

  • 检查更新配置清单
  • 比较版本信息
  • 确定需要更新的数据

3.1.2 更新准备和数据备份

• 更新准备：

  • 分配更新所需资源
  • 验证更新配置的正确性
  • 准备更新环境

• 备份当前数据：

  • 创建关键数据快照
  • 按照冗余配置执行备份
  • 验证备份完整性

3.1.3 数据更新和验证

• 更新数据：

  • 应用更新内容
  • 处理数据格式转换
  • 确保更新原子性

• 验证：

  • 冗余验证：确保冗余数据一致
  • 完整性验证：进行哈希和签名检查
  • 版本兼容性检查：确保格式兼容

3.1.4 更新完成和错误处理

• 更新完成：

  • 确认更新成功
  • 清理临时资源
  • 如需要则重建冗余

• 错误处理和回滚：

  • 检测更新失败
  • 回滚到备份状态
  • 记录错误信息
  • 尝试恢复正常操作

3.2 冗余管理机制

3.2.1 冗余类型

AUTOSAR持久化支持多种冗余策略：

• 无冗余：不提供额外保护，仅基本存储
• 双重冗余：维护数据的两个副本
• 三重冗余：维护数据的三个副本，支持多数投票机制
• 自定义冗余：根据特定需求定制冗余策略

3.2.2 冗余恢复过程

冗余恢复是一个关键流程：

1. 检测损坏的冗余数据（通过校验和/哈希）
2. 识别有效的数据副本
3. 基于有效副本重建损坏数据
4. 验证恢复结果

4. 总结

AUTOSAR持久化功能集群提供了全面的数据持久化服务，确保汽车软件系统中的关键数据能够安全、可靠地存储。通过Key-Value存储和文件存储两种主要接口，结合数据加密、冗余和更新机制，持久化功能集群满足了现代汽车电子架构中对数据管理的严格要求。

持久化功能集群的主要优势包括：

• 灵活性：支持多种数据类型和存储策略
• 安全性：提供加密和访问控制机制
• 可靠性：通过冗余机制确保数据完整性
• 可维护性：支持系统更新和数据迁移
• 兼容性：与AUTOSAR标准一致，确保互操作性

AUTOSAR持久化功能集群提供了全面的数据持久化服务，确保汽车软件系统中的关键数据能够安全、可靠地存储。通过Key-Value存储和文件存储两种主要接口，结合数据加密、冗余和更新机制，持久化功能集群满足了现代汽车电子架构中对数据管理的严格要求。

持久化功能集群的主要优势包括：

• 灵活性：支持多种数据类型和存储策略
• 安全性：提供加密和访问控制机制
• 可靠性：通过冗余机制确保数据完整性
• 可维护性：支持系统更新和数据迁移
• 兼容性：与AUTOSAR标准一致，确保互操作性

在AUTOSAR适配平台中，持久化功能集群与其他功能集群紧密集成，为整个系统提供数据持久化基础设施，使应用开发人员能够专注于应用逻辑而不必担心底层存储细节。