AutoSar网络管理

CAN总线学习-2

最近学习CAN总线AutoSar网络管理，最近做一些总结。本文基于派森君的内容。

1. AutoSar和OSEK的关系

AutoSar和OSEK都是汽车电子软件的标准。OSEK/VDX是基于ECU开发的操作系统，AutoSar是基于整体汽车电子开发的功能标准。AutoSar中规定的操作系统标准就是基于OSEK，通信和网络管理虽然和OSEK有区别，但是有继承性。

 OSEK 是德国的汽车电子类开放系统和对应接口标准(open systems and the corresponding interfaces for automotive electronics)
 VDX  是汽车分布式执行标准(vehicle distributed executive)

2. AUTOSAR和OSEK网络管理比较

2.1 共同点

• 都属于直接网络管理。
• 网络管理的目的都是协调各节点同步进入休眠及唤醒（主要是休眠）。
• 都依靠特定的网络管理CAN报文，每个节点的网络管理ID都不一样。
• 唤醒方法相同，第一个唤醒的节点发送网络管理帧即同时唤醒其它节点。

2.2 不同点
2.2.1 唤醒帧类型不一样
网络唤醒后，OSEK要求节点发出的第一帧必须是Alive类型，不能是Ring, Limphome等。AutoSar只要求是网络管理帧就行，条件宽松。
2.2.2 休眠的同步算法不一样
OSEK网络管理使用令牌环机制，令牌从网络地址低的节点传到网络地址高的节点，如果没有更高的节点，就传给最低地址节点。令牌环根据ECU的网络地址建立。每个ECU都会接受网络管理消息，只有和目的地址相同的一个节点才会得到令牌。

3. OSEK网络管理建立过程

3.1 唤醒后建立逻辑环过程

• 控制器唤醒后想参与网络的节点会先发Alive报文申请加入逻辑环。
• 逻辑环建成后，各节点按顺序发Ring报文向后续节点传递“令牌”。

3.2 同步休眠过程

• 如果逻辑环中有节点想休眠，就设置Ring报文中的Sleep.Ind指示位。
• 当逻辑环中所有的节点都设置了Sleep.Ind指示位，也意味着任何节点接收到所有其它节点的Sleep.Ind指示位。
• 逻辑环中所有的节点设置Sleep.Ack指示位
• 任何节点接收到所有其它的节点的Sleep.Ack指示位
• 所有节点同步进入等待睡眠状态
• tWaitBusSleep时间内没有收到唤醒时间，所有节点同步进入睡眠状态
  

4. AutoSar网络管理策略

AutoSar基于分布式策略，每个节点根据通信系统中发送或者接收到的NM消息来执行自给自足的网络活动。NM消息通过广播发送，所有网络中的所有节点都可以接收到。接收到NM消息表示发送这个NM消息的节点倾向保持网络工作模式（NETWORK MODE）。如果有节点准备好进入总线睡眠模式 （BUS SLEEP MODE），它就停止发送NM消息，但是只要它还能够接收到从其他节点发来的NM消息，它就延迟到总线睡眠模式的变迁。最终，在一定的时限内，由于不再接收到NM消息，每个节点都启动到总线睡眠模式的变迁。如果网络中的任何节点需要总线通信，它可以通过发送NM消息使网络从来总线睡眠模式中唤醒。概括如下：

• 每个网络节点如果想保持总线通信，就会一直发送周期性的NM消息；如果它不再需要保持总线通信，它就不再发送NM消息。
• 如果总线通信已经被释放，并且在配置的一段时间内没有发送或者接收到NM消息，则执行到Bus-Sleep模式的转移。
  
• PDU结构不一样
  OSEK网络帧PDU包括自己地址，目标地址（下一个令牌环目标），命令状态，用户选择数据。而AutoSar网络帧PDU只包括自己地址，少量控制信息，用户选择数据。内容简单的多。

综上所述：

1. OSEK同步休眠时刻是所有节点都发送Ring请求休眠帧，且收到其它节点的Ring确认休眠帧。而AutoSar的同步休眠时刻是所有节点都停发NM帧，且不能收到其它节点的NM帧。比较而言，AutoSar要简单一些。
2. OSEK令牌环中有一个节点异常，其它节点就要重新建立环才能维持正常网络状态，策略比较复杂。而AutoSar网络管理中，一个节点异常时不影响其它节点的网络状态。比较而言，AutoSar要简单一些。

5. AutoSar网络管理策略

5.1 网络管理报文
首先要明确一点，NM报文就是CAN报文。NM报文符合CAN报文的格式，由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结尾组成。
一般厂家在设计的时候会规定好NM报文的ID范围。
举个例子：规定标识符在0x500到0x5FF范围为NM报文。当在CANoe中抓取到此ID范围内的报文，那就是NM报文。
NM报文的重点在于数据场8字节里的内容：

Byte0：
这里填的是ECU的地址，或者叫ECU的ID；
此报文的ID=一个基础值+ECU的ID，例如厂家规定基础值为0x500，那么此报文的ID=0x500+0x8=0x508；
这里要注意区分报文的ID和ECU ID的概念，很容易混淆；
Byte1：

这里关注下bit0和bit4：
bit0：当此位置1时强制进入RMS（下面会讲到）；
bit4：告诉其他节点自身是怎么被唤醒的。
置0：被动唤醒、远程唤醒，比如被其他节点发送的NM报文唤醒；
置1：主动唤醒、本地唤醒，比如给ECU上电；
byte2-byte7里的user data数据由用户自行定义。
5.2 CAN NM状态介绍
AUTOSAR网络管理有三种状态：

1. 睡眠模式（Bus-Sleep Mode）
   当节点没有本地网络唤醒以及远程唤醒请求时，ECU通讯控制器切换至睡眠模式，ECU功耗降低至适当水平；此模式下，NM报文只收不发，APP报文不收不发，当出现有效唤醒源时必须要被唤醒；
2. 预睡眠模式（Prepare Bus-Sleep Mode）
   这个状态是为了等待总线上的所有节点能够在进入Bus-Sleep Mode之前有时间停止节点的active状态（如清空队列中为发送的报文）；此模式下，NM报文只收不发，APP报文不收不发，如果缓冲区有APP报文那可以继续发完；
3. 网络模式（Network Mode）：

• 重复报文状态（Repeat Message State）：NM报文可收可发，APP报文可收可发；
• 正常工作状态（Normal Operation State）：NM报文可收可发，APP报文可收可发；
• 准备睡眠状态（Ready Sleep State）：NM报文只收不发，APP报文可收可发；
  
  5.3 状态机
  
• BSM-睡眠模式
• NM-网络模式
• PBM-预睡眠模式
• RMS-重复报文模式
• NOS-正常操作状态
• RSS-准备睡眠模式

NM_1：
给ECU上电，ECU自己会初始化进入睡眠模式。如果没有唤醒源来唤醒此节点，那就会一直待在睡眠模式。
NM_2+NM_3：
当出现本地唤醒（03）或者远程唤醒（02）时，进入RMS状态。本地唤醒就是自己想要主动和其他节点通信；远程唤醒是其他节点想要和我通信
NM_4：
我们现在已经到网络模式的重复报文子状态了。话说为什么叫重复报文子状态呢，因为在这个状态里的时候，ECU需要一直发送周期报文，来告诉别人：我在线。
如果是走03（本地唤醒）进来的，那么需要先在NM Immediate Transmit State中以很快的周期发送N帧报文（例：以20ms的周期连续发送5帧报文），发完这N帧报文再进入到NM Normal Transmit State中以正常的周期发送报文（例：500ms为周期发送报文。这个在上面的表格里有定义）。如果是直接走02进来的，那么直接以正常周期发送NM报文就可以了。一直发到T_repeat_message定时器超时。

这一步的目的是如果是本地唤醒的话，可能此ECU下面还有很多从属节点，当此ECU唤醒之后，需要同时唤醒其他兄弟节点一起通信，所以最开始的N帧报文周期很短，目的是为了快速、低延迟地唤醒其他节点。
NM_6+NM_12：
我们先计算一下从BSM到这一步用了多少时间。参考上面定时器定义，在02或03中，最大唤醒时间为T_wake_up=200ms；在04中T_repeat_message=1600ms。总计1800ms，此时ECU可能已经不需要通信了（ECU持续处于唤醒状态的条件是有持续的唤醒源，例如一直有NM报文远程唤醒(间接唤醒)、或一直有本地唤醒源例如上电(直接唤醒)）。如果还需要继续通信，走06，进入NOS，继续周期发送NM报文，可以收发APP报文，当不再需要通信了，就停止发送NM报文，等待T_NM_timeout超时之后走09；如果直接不需要通信了，直接走12。
NM_10：
收到本地唤醒，进入NOS。
NM_11：
收到NM报文的byte1字节的重复请求位如果置1，强制进入RMS。
NM_08+NM_14+NM_05：
T_NM_timerout定时器超时，不改变当前状态。定时器需要重置。
NM_13：
在RSS状态，NM报文不可以发送。等待T_NM_TIMEOUT定时器超时后进入PBM。
NM_15+NM_16：
PBM状态只可以接收NM报文，其他报文不发不收。收到远程唤醒，走15；收到本地唤醒，走16。
NM_17：
如果PBM状态收不到任何唤醒源，在T_WAIT_BUS_SLEEP定时器超时后进入BSM。

Tips:
DUT在RSS状态的时候，如果收到本地唤醒（如KL15），会走NM11进入RMS状态；那如果收到远程唤醒报文呢？

根据主机厂的设计不同，可能会有下面两种动作：
1.在RSS收到远程唤醒报文，不会发生状态跳转，但是会重置T_NM_TIMEOUT定时器，即：在RSS状态收到持续的远程报文唤醒，会一直保持在RSS状态，此时DUT不能发出NM报文，但是可以收发APP报文；
2.在RSS状态收到远程唤醒报文，会重新进入NOS。