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AUTOSAR SPI Handler/Driver 需求规范

1. 引言

本文档基于AUTOSAR规范，详细描述了SPI Handler/Driver模块的需求。SPI Handler/Driver模块是AUTOSAR微控制器抽象层(MCAL)的重要组件，负责提供对SPI硬件设备的访问接口。

1.1 SPI总线简介

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种主从式、同步串行通信总线，主要用于微控制器与各种外设（如传感器、存储器、显示器等）之间的短距离通信。SPI总线通常由四条信号线组成：

• MOSI (Master Out Slave In)：主设备数据输出，从设备数据输入
• MISO (Master In Slave Out)：主设备数据输入，从设备数据输出
• SCK (Serial Clock)：时钟信号，由主设备产生
• CS (Chip Select)：片选信号，用于选择与哪个从设备通信

2. AUTOSAR SPI Handler/Driver架构

SPI Handler/Driver在AUTOSAR架构中处于微控制器抽象层(MCAL)，其主要职责是提供标准化的接口，使上层软件能够访问SPI总线上的设备，同时屏蔽硬件细节。

2.1 架构说明

1. 应用层：包含使用SPI服务的应用软件组件。

   • 应用软件组件通过RTE调用SPI服务。

2. RTE层：运行时环境，负责连接应用层和基础软件层。

   • 提供标准化接口，转发SPI API调用。

3. 基础软件层：

   • 系统服务层：包含诊断模块(DEM)和开发错误跟踪器(DET)，用于错误处理和诊断。
   • 通信服务层：包含通信模块(COM)，处理ECU间通信。
   • MCAL层：包含SPI Handler/Driver及相关驱动模块。
     • SPI Handler/Driver：提供SPI通信功能。
     • DIO Driver：用于控制片选信号。
     • DMA Driver：用于数据传输优化。

4. 微控制器硬件：

   • SPI硬件单元：实际执行SPI通信的硬件。
   • DIO硬件：用于片选信号控制的数字输入输出硬件。
   • DMA控制器：用于高效数据传输的直接内存访问控制器。

2.2 SPI Handler/Driver职责

SPI Handler/Driver负责：

• 多SPI总线处理
• 同步SPI传输
• 异步SPI传输
• 片选(CS)信号控制
• 链式设备通信

3. SPI Handler/Driver内部组件结构

SPI Handler/Driver内部由多个功能组件组成，共同协作完成SPI通信功能。

3.1 组件结构说明

1. SPI Handler部分：

   • SPI 初始化模块：负责模块初始化和配置处理。
   • SPI 通道处理：管理SPI通道配置和数据。
   • SPI 作业管理：处理SPI作业的优先级排序和执行。
   • SPI 序列管理：管理序列，协调多个作业的执行。
   • SPI 配置管理：处理SPI的静态配置信息。

2. SPI Driver部分：

   • 同步SPI功能：处理阻塞式SPI传输。
   • 异步SPI功能：处理非阻塞式SPI传输，包括：
     • 异步传输控制
     • 中断处理
     • DMA处理
     • 回调通知
   • SPI 硬件抽象：直接与SPI硬件交互。
   • 片选控制：管理CS信号的控制。

3. 与硬件的交互：

   • SPI硬件抽象组件访问微控制器SPI硬件。
   • 片选控制组件控制微控制器DIO硬件。
   • DMA处理组件配置微控制器DMA控制器。

3.2 关键概念定义

1. 通道(Channel)：

   • 通道是数据交换的软件媒介
   • 具有相同配置参数、相同数据大小和相同数据指针位置

2. 作业(Job)：

   • 作业由具有相同片选(CS)的一个或多个通道组成
   • 作业视为原子操作，不可中断
   • 每个作业有分配的优先级

3. 序列(Sequence)：

   • 序列是连续的多个作业
   • 可根据优先级机制在作业间重新调度
   • 序列传输可中断或不可中断(取决于静态配置)

4. SPI通信流程

SPI Handler/Driver支持两种通信模式：同步和异步。这两种模式适用于不同的应用场景。

4.1 异步通信流程

异步通信是非阻塞式的，适合对时间要求严格的应用。

4.1.1 异步通信流程说明

1. 启动阶段：

   • 应用软件组件调用Spi_AsyncTransmit(Sequence)启动传输。
   • SPI Handler接收请求并传递给序列管理组件。
   • 序列管理组件检查序列有效性并获取第一个作业。
   • 作业管理组件检查作业优先级并准备通道数据。
   • 驱动程序配置硬件、激活片选、启动传输。
   • Handler返回E_OK表示传输已启动（非阻塞）。

2. 传输阶段：

   • 硬件自主完成数据传输。
   • 传输完成后触发中断。

3. 完成阶段：

   • 中断处理程序更新通道状态。
   • 如果当前通道完成但作业未完成，继续处理下一个通道。
   • 如果当前作业完成：
     • 释放片选信号。
     • 如果序列中还有更多作业，继续处理下一个作业。
     • 如果序列完成，执行序列完成回调通知应用。

4.1.2 异步通信特点

• 非阻塞式操作，启动后立即返回
• 通过中断或DMA完成传输
• 通过回调通知完成状态
• 支持序列和作业的队列管理
• 支持优先级机制

4.2 同步通信流程

同步通信是阻塞式的，适合对时间要求不严格的应用。

4.2.1 同步通信流程说明

1. 启动阶段：

   • 应用软件组件调用Spi_SyncTransmit(Channel)启动传输。
   • SPI Handler检查通道有效性并传递给驱动程序。

2. 传输阶段：

   • 驱动程序保存当前状态（如果需要）。
   • 配置SPI硬件寄存器。
   • 激活片选信号。
   • 对通道中的每个数据元素：
     • 写入发送数据到SPI发送寄存器。
     • 等待传输完成标志。
     • 读取接收到的数据并存储。

3. 完成阶段：

   • 释放片选信号。
   • 恢复之前的状态（如果需要）。
   • 返回传输状态（E_OK/E_NOT_OK）。

4.2.2 同步通信特点

• 阻塞式操作，直到传输完成才返回
• 不使用中断或DMA
• 通过轮询方式检查传输完成状态
• 不支持序列和作业的队列管理
• 适用于对时间要求不严格的场景

5. SPI配置结构

SPI Handler/Driver的配置结构支持灵活配置不同的SPI通信方式，通过静态配置优化内存和CPU资源。

5.1 配置结构说明

1. Spi_ConfigType：

   • 总配置结构，包含全局配置、通道配置、作业配置、序列配置和硬件单元配置。

2. Spi_GlobalConfigType：

   • 全局配置，定义通道、作业、序列的最大数量。
   • 定义支持的通信模式（同步/异步）。
   • 定义是否支持可中断序列。
   • 定义哪些硬件单元使用DMA。

3. Spi_ChannelConfigType：

   • 通道配置，包括数据宽度（1-32位）。
   • 传输起始位（MSB/LSB）。
   • 移位边沿设置。
   • 缓冲区类型设置。

4. Spi_JobConfigType：

   • 作业配置，包括片选控制参数。
   • 波特率设置。
   • 关联的通道列表。
   • 作业优先级。
   • 作业完成通知回调。

5. Spi_SequenceConfigType：

   • 序列配置，包括是否可中断标志。
   • 关联的作业列表。
   • 序列完成通知回调。

6. Spi_HWUnitConfigType：

   • 硬件单元配置，包括时钟设置。
   • DMA使用配置。
   • 硬件特定参数。

6. 主要功能需求

以下是SPI Handler/Driver的主要功能需求：

6.1 通用需求

1. SPI Handler/Driver应能够处理多个SPI总线。
2. SPI Handler/Driver应处理片选信号。
3. SPI Handler/Driver应支持所有能执行SPI功能的控制器外设。
4. SPI Handler/Driver应支持与链式硬件设备的通信。
5. SPI Handler/Driver应有可扩展功能以适应ECU需求。

6.2 配置需求

1. SPI Handler/Driver应允许静态配置所有与SPI相关的软硬件属性，包括：

   • 分配的SPI硬件单元
   • 分配的片选引脚
   • 片选功能开/关
   • 片选引脚极性高/低
   • 片选模式（正常模式或保持模式）
   • 波特率
   • 时钟与片选之间的时序
   • 数据宽度（1至32位）
   • 传输开始LSB或MSB
   • 移位时钟空闲低或空闲高
   • 数据移位使用前沿或后沿
   • MCU相关属性

2. SPI Handler/Driver应允许通过静态配置链接连续的SPI通道。

3. SPI Handler/Driver应允许静态配置所需的SPI通道数量（最多255个）。

4. 每个SPI通道的传输数据宽度应可配置为1至32位（不仅限于8、16或32位）。

5. SPI Handler/Driver功能应可静态配置。

7. 总结

AUTOSAR SPI Handler/Driver模块提供了标准化的接口，用于访问SPI总线上的设备。它支持同步和异步通信模式，可以处理多个SPI总线，并通过静态配置适应不同ECU的需求。通过通道、作业和序列的概念，SPI Handler/Driver能够有效管理SPI通信，支持优先级机制，并提供完善的错误处理和通知机制。

道的传输数据宽度应可配置为1至32位（不仅限于8、16或32位）。
5. SPI Handler/Driver功能应可静态配置。

7. 总结

AUTOSAR SPI Handler/Driver模块提供了标准化的接口，用于访问SPI总线上的设备。它支持同步和异步通信模式，可以处理多个SPI总线，并通过静态配置适应不同ECU的需求。通过通道、作业和序列的概念，SPI Handler/Driver能够有效管理SPI通信，支持优先级机制，并提供完善的错误处理和通知机制。

SPI Handler/Driver的模块化设计和标准化接口使上层软件能够独立于硬件实现，增强了软件的可移植性和可重用性，符合AUTOSAR架构的设计理念。