深入理解Autosar MCAL软件架构基本概念

MCAL架构介绍

Autosar整体架构图如下所示：

MCAL是MicroController Abstraction Layer（微控制器抽象层）的缩写。如下图所示，MCAL位于AUTOSAR软件架构中基本软件（Basic Software，BSW）的底层，是可以直接访问MCU寄存器和内部外设的底层驱动。这样划分的目的是使上层软件（如ECU抽象层、系统服务层等）独立于MCU硬件平台，保证上层软件的标准化和通用性。

AUTOSAR规范根据MCU底层驱动功能的相似性，把MCAL抽象为4个驱动组，分别是微控制器驱动组（Microcontroller DriversGroup）、存储器驱动组（Memory Drivers Group）、通信驱动组（Communication Drivers Group）、输入/输出驱动组（I/O DriversGroup）。将结构示意图更进一步划分，如下图所示。

Microcontroller驱动组

Microcontroller驱动组完成MCU内核及其外设的配置，主要包括MCU驱动（MCU）、看门狗驱动（Watch Dog，WDG）、通用定时器驱动（General Purpose Timers，GPT）。

1.GPT驱动

GPT驱动初始化、控制MCU内部的通用定时器，用来产生一次性（One-shot）或者连续性（Continuous）的定时通知。GPT驱动通常为操作系统（OS）提供定时服务，或者当OS Alarm负担过重时为BSW其他模块提供定时服务。

2.WDG驱动

WDG驱动控制MCU内部看门狗定时器，提供触发功能和模式选择服务。AUTOSAR规范定义了3种模式：Fast Mode（快速模式）、Slow Mode（慢速模式）、OFF Mode（关闭模式）。

3.MCU驱动

MCU驱动提供微控制器初始化、断电、重启等基本功能，以及MCAL其他驱动模块所需的特殊函数。MCU驱动特性如下：

Memory驱动组

Memory驱动组提供对片上存储器（内部Flash、内部EEPROM等）的初始化和控制功能，主要包括内部Flash驱动（FLS）、内部EEPROM驱动（EEP）。

1.FLS驱动

FLS驱动提供读、写、擦除Flash存储器服务，并且当底层硬件支持写/擦除保护时，FLS驱动提供设置该保护机制的配置接口。通常在ECU的应用程序中，FLS驱动仅在Flash模拟EEPROM时使用，把数据写到Flash存储器中。

2.EEP驱动

EEP驱动除提供读、写、擦除EEPROM服务之外，还提供把EEPROM中的数据块和内存（如RAM）存储的数据块进行比较的功能。

Communication驱动组

Communication驱动组提供对ECU板载通信外设的（如SPI等）的初始化和控制功能，以及对汽车网络的通信外设（如CAN等）的初始化和控制功能，主要包括SPI驱动（SPI）、LIN驱动（LIN）、CAN驱动（CAN）、FlexRay驱动（FR）、以太网驱动（ETH）。

1.SPI驱动

SPI驱动提供配置片上SPI外设、通过SPI总线从外部器件读取数据、写入数据到外部器件的服务。除此之外，SPI驱动还提供访问一些特殊SPI器件（如EEPROM、看门狗、I/O专用芯片等）的服务，SPI驱动访问片外器件驱动的调用关系示意如下。

2.LIN驱动

LIN驱动只适用于主节点应用（Master Mode），从节点应用（Slave Mode）并没有在LIN驱动中实现，在AUTOSAR MCAL规范中，LIN驱动主节点的行为均符合LIN 2.1协议标准，不影响LIN总线的行为逻辑，因此，可以和当前任何LIN驱动从节点通信。另外，LIN驱动适用于SCI/UART硬件模块或者完整的LIN控制器，并不适用于软件模拟UART的实现方式。

LIN驱动直接访问MCU硬件模块，支持在同一个LIN硬件模块里的多通道LIN通信，提供独立的API函数供上层软件调用。

3.CAN驱动

与LIN驱动类似，CAN驱动直接访问MCU硬件模块，提供独立的API函数供上层软件调用。AUTOSAR MCAL规范定义由上层的CAN接口（CAN Interface）模块访问CAN驱动。CAN驱动提供控制CAN控制器行为和状态机等服务。另外，独立于硬件本身，CAN驱动还提供发起CAN通信、调用上层CAN接口回调函数进行事件通知等服务。

4.FlexRay驱动（FR驱动）

芯片厂商根据FlexRay协议标准设计了FlexRay通信控制器（FlexRay Communication Controller，FlexRay CC），而FR驱动则抽象了FlexRay CC的硬件实现，也就是说FlexRay CC的特性都被囊括在了FR驱动中。对FlexRay CC一系列的访问被抽象成了统一的接口（API），上层软件模块只能通过这些接口来访问FlexRay CC。一个FR驱动可以支持多个FlexRay CC，但这些FlexRay CC必须为同一种硬件实现类型。作为FR驱动的调用者，FlexRay接口（FlexRay Interface，FrIf）模块与底层FlexRay CC完全独立，而且FR驱动中没有主要功能函数（Main-Function）和中断服务函数（ISR），所有FR驱动的API函数仅在FrIf模块中运行。每个FR驱动都被分配唯一的前缀，FrIf模块通过这些命名规则来访问不同的FlexRay CC。

5.以太网驱动（ETH驱动）

在整个以太网协议栈中，ETH驱动的主要任务是给上层模块提供独立于硬件的接口—以太网接口（EthIf）。这个独立于硬件的接口对于所有的以太网控制器（MAC）都是统一的，因此，上层以太网接口以统一行为方式访问底层硬件。以太网驱动提供了对以太网控制器的初始化、设置和数据传输等功能。

一个以太网驱动可以支持多个以太网控制器，但这些以太网控制器必须为同一种硬件实现类型。如下图所示，每个以太网驱动都被分配唯一的前缀，以太网接口通过这些命名规则来访问不同的以太网控制器。

I/O驱动组

I/O驱动组完成MCU片上以下输入/输出模块的驱动：端口控制（PORT）驱动、数字I/O引脚（DIO）驱动、模数转换（ADC）驱动、PWM驱动、输入捕获（ICU）驱动、输出比较（OCU）驱动。

1.PORT驱动

PORT驱动实现片上端口配置和引脚复用的功能，提供配置和初始化MCU所有端口/引脚的服务。例如，将引脚功能配置为通用I/O、ADC、SPI等。

2.DIO驱动

作为DIO驱动使用的引脚首先需要在PORT驱动中配置和初始化，然后才能使用DIO驱动读/写引脚上的逻辑状态。

3.ADC驱动

ADC驱动实现初始化、控制MCU内部的ADC模块的功能，可以使能触发源发起模数转换，以及关闭触发源停止模数转换。此外，ADC驱动提供通知机制（Notification）查询模数转换的状态和结果。

4.PWM驱动

PWM驱动提供MCU芯片内部PWM模块初始化和控制的功能。PWM驱动中定义的PWM通道，都与MCU内部模块的PWM硬件通道对应。PWM驱动能产生可变脉宽的脉冲信号，支持设置占空比和周期。但是，AUTOSAR MCAL规范并未对PWM类型（中心对称PWM、左边对称PWM等）做出规定，PWM类型是由驱动提供商的具体实现方案决定的。

5.ICU驱动

ICU驱动完成MCU内部输入捕获模块的功能，用于解调PWM信号、脉冲计数、测量信号周期和占空比、产生普通中断和唤醒中断等。ICU驱动提供如下服务： 信号边沿检测、产生相应通知； 唤醒中断控制； 周期信号测量； 信号边沿时间戳（用于非周期信号）； 边沿计数。

6.OCU驱动

一些MCU并没有专门的OCU驱动，是利用通用计数器完成输出比较功能的。OCU驱动完成MCU内部输出比较模块的初始化和控制的功能。OCU驱动中定义的软件通道，与MCU内部的输出比较硬件通道对应。当通用计数器的值与预设阈值匹配时，OCU驱动自动做出相应动作。

在AUTOSAR MCAL规范中，并没有规定OCU驱动的硬件架构，只定义了参数和用户接口函数，因此，OCU驱动可以用于任何适合的硬件平台。OCU驱动提供如下服务：开始、停止通用计数器比较；设置比较阈值；使能、关闭通知机制；获取通用计数器当前值；改变输出引脚电平状态；触发其他硬件资源（ADC、DMA等）。