AUTOSAR框架的通信部分联系了底层硬件和运行时环境RTE

1.前言

1.1 CANTP(ISO 15765)介绍

ISO 15765标准由一般信息、网络层信息、统一诊断服务（UDS）、相关排放系统要求等组成。ISO 15765适用于ISO 11898制定的同一个车辆诊断控制区域网络内（CAN），多用于诊断系统。AUTOSAR框架的CANTP模块是ISO 15765的实现，具备多帧传输的功能。

具体而言，ISO 15765将数据帧（包括ID等）分为了三个域——地址信息N_AI、协议控制信息N_PCI、数据域N_Data。其中，N_CPI起到了主要的通信控制作用。

15765的域定义

1.2 J1939TP(SAE J1939)介绍

SAE J1939标准相比于ISO15765更加复杂，具备设备间的连接管理、多帧传输等功能，还将CAN数据帧的ID（标准、拓展帧均可）进行了进一步的定义。所谓的“定义”指的是将CAN数据帧ID的11位（标准帧）或者29位（拓展帧）重新定义为优先级（P）、保留位（R）、数据页（DP）、PDU格式（PF）、特定PDU（PS）、源地址（SA）。如下图所示，

J1939协议的数据帧格式

需要说明的是，

数据页位选择参数群（PG, Parameter Group）描述的辅助页，在分配页1的参数群编号（PGN, Parameter Group Number）之前，先分配页0的可用PGN。

PG参数群概念：PG是可以放在一起发送的一些数据，这些数据可以是在一帧数据中传完，也可以通过J1939的多帧传输协议来通过多次传输实现，取决于数据的长度。比如参数群中共有2个信号——车胎压力（8字节）、轮速（16字节），总共3字节数据，而J1939协议对于小于等于8字节的数据可以直接传输（DIRECT传输方式，具体见下方）。比如参数群中共有6个信号——PWM占空比1（16字节）、PWM占空比2（16字节）、PWM占空比3（16字节）、PWM占空比4（16字节）、PWM占空比5（16字节）、PWM占空比6（16字节），总共12字节数据，此时J1939协议可以通过2个数据帧来发送数据（CMDT传输方式，具体见下方），也可以通过广播（BAM传输方式，具体见下方）的形式发送。另外要说明的是，1个PG对应1个PGN。

J1939数据帧ID定义中的特定PDU（PS）的意义是由PDU格式（PF）决定的

如果PF>=240，则PS是群拓展GE（Group Extension, 也就是说PGN可以更多），如果PF<240，则PS是目标地址（Destination Addr），GE等于0。也就是说，对于PF<240的情况，指定了目标地址，但是可以传输的PG（也可以说是PGN）变少了。
PGN组成和个数

PGN由保留位（R）、数据页（DP）、PDU格式（PF）和群拓展（GE）组成。如果PF>=240，则PS是群拓展GE（Group Extension, 也就是说PGN可以更多），如果PF<240，则PS是目标地址（Destination Addr），GE等于0。

PGN个数计算：(240 + (16 * 256) * 2) = 8672。其中，240是每个数据页（DP, Data Page）中的PF<240时，GE恒等于0，所以数目是240。16是每个数据页（DP, Data Page）中的PF>240时，数值从240到255之间，共16个数。256是指GE（等于PS）的取值个数，具体是从0到255之间。2表示数据页，分为页0和页1。

1.3 TP在AUTOSAR框架中的角色

AUTOSAR的传输协议（TP, Transport Protocal）模块是对某个传输协议国际标准的实现，如上述的ISO15765（对应CANTP模块）和SAE J1939（对应J1939TP模块）。我们都知道CAN2.0的一个CAN数据帧最多传输8字节数据，而在汽车电子领域有数据（或者参数群，也就是一组数据）可能需要超过8字节来传输。而TP模块正是可以实现多个CAN数据帧的组包，形成超过8字节的参数群。发送的时候，也会将超过8字节数据拆包发送。下面是CAN TP模块在AUTOSAR框架中的位置。

TP在AUOTSAR框架中的位置

CANTP模块联通PDUR和CANIF模块，实现PDUR到CANIF时的拆包和CANIF到PDUR时的组包功能。最终，CANTP会将数据经过PDUR后依次存放到COM的Buffer中。

2.CAN TP(ISO 15765)的通信过程

2.1 ISO 15765的通信过程

ISO 15765对数据帧进行了划分，其中协议控制信息N_PCI有着通信控制的作用。以下是N_PCI的具体定义，

N_PCI具体定义

ISO 15765不像J1939，没有“连接管理”的概念（J1939的连接管理见下方）。其通过重定义CAN数据帧的数据域来实现多帧传输。

单帧（SF），第0个字节被用于控制（[7:4] N_PCItype = 0，[3:0] 数据长度SF_DL），数据只需要1帧来传输

首帧（FF），第0和1个字节被用于控制（Byte0的[7:4] N_PCItype = 1，其余12位用于数据长度FF_DL），数据需要多个帧来传输，FF是多个帧的第1帧

连续帧（CF），第0字节被用于控制（[7:4] N_PCItype = 2，[3:0] SN连续帧编号，0到15，如果到达15,下一个重置为0），首帧FF后面的帧是连续帧

流控（FC），第0字节到2字节被用于控制（具体见标准），目的是调整CF N_PDUs发送的速率。

2.2 CAN TP模块的通信实现

1. 单帧

下图是一个CAN IF模块将数据发送到CAN TP模块，CAN TP模块组织管理CAN数据帧（单帧SF）的过程。

单帧过程

PduR_<LoTp>StartOfReception @ PduR_CanTp.c用于向上层COM模块请求Buffer。

PduR_<LoTp>CopyRxData @ PduR_Logic.c用于拷贝数据到COM模块的Buffer，并将剩余可用Buffer空间写入到参数（调用者提供）。

2. 多帧

下图是一个CAN IF模块将数据发送到CAN TP模块，CAN TP模块组织管理CAN数据帧（多帧，包括首帧FF和连续帧CF）的过程。

多帧过程

拷贝过程类似单帧，区别是多帧管理的时候，会有currentPosition来指明目前Buffer已经用掉了多少，下次连续帧过来时，拷贝到可利用的Buffer空间（从currentPosition开始）。

3.J1939TP(J1939)的通信过程

3.1 J1939协议的通信方式

J1939协议定义了三种通信方式——广播（BAM, Broadcast Announce Message）、基于连接的数据传输（Connection Mode Data Transfer）、直接数据传输（DIRECT）。如果数据多余8字节，则会通过BAM或者CMDT来发送，而小于等于8字节时，直接发送。

三个通信方式

DIRECT

在AUTOSAR的J1939TP模块中，会判断需要发送的数据的长度，如果小于等于8字节，则会通过函数J1939Tp_Internal_DirectTransmit @ J1939Tp.c直接发送。两台设备间没有交互的过程，如下图所示，
BAM

字节数大于8字节的数据传输方式之一就是BAM。BAM只有发送者向接收者的交互过程，第1帧数据是告诉接收者准备好开始接收，后面会逐个发送数据。第1帧包含PDU字节长度，数据帧个数，PGN（PGN1到3，分别是8位，PGN共24位）的信息。其作用是预先告诉接收者准备存储空间（有上界，具体见COM配置说明），防止接收者存储空间不足。以下是BAM通信过程，
CMDT

另外一个大于8字节的数据传输方式是CMDT，这是一种需要接收者和发送者间进行交互的方式。

形象说明：
1. CM_RTS:我有3个数据帧,共16字节数据
2. CM_CTS:好的,你先发2个数据帧过来
3. CM_DT:发送2次,共14个字节数据
4. CM_CTS:再发1个过来
5. CM_DT:发送1次,共2个字节数据

以下是上述通信过程中需要用到的数据帧格式，

RSV表示保留，数值是255
  
CM_RTS
byte: |    0     |    1     |    2     |    3     |    4     |    5     |...
data: |----------|----------|----------|----------|----------|----------|...
          16            PDU字节长度        数据帧个数                PGN1  PGN2 PGN3
            
CM_CTS
byte: |    0     |    1     |    2     |    3     |    4     |    5     |...
data: |----------|----------|----------|----------|----------|----------|...
           17     NumPackets NextPacketSeqNum RSV     RSV         PGN1  PGN2 PGN3
说明：NumPackets：发送者在下一个CTS发送之前，可以发送的数据帧个数
     NextPacketSeqNum：下一个数据帧的序列号
       
CM_EndofMsgAck
byte: |    0     |    1     |    2     |    3     |    4     |    5     |...
data: |----------|----------|----------|----------|----------|----------|...
           19           总数据长度      已收到DT数据帧个数  RSV        PGN1  PGN2 PGN3
  
CM_BAM
byte: |    0     |    1     |    2     |    3     |    4     |    5     |...
data: |----------|----------|----------|----------|----------|----------|...
           32          PDU字节长度        数据帧个数      RVS         PGN1  PGN2 PGN3
             
CM_Abort
byte: |    0     |    1     |    2     |    3     |    4     |    5     |...
data: |----------|----------|----------|----------|----------|----------|...
           255       原因        RSV       RSV        RSV          PGN1  PGN2 PGN3 
  
DT
byte: |    0     |    1     |    2     |    3     |    4     |    5     |...
data: |----------|----------|----------|----------|----------|----------|...
         序列号     后面是7字节数据

3.2 J1939TP模块的实现举例

J1939TP对J1939进行了实现，以下是几个接收过程举例，更加详细的过程见AUTOSAR_SWS_SAEJ1939TransportLayer.pdf。

DIRECT

PduR_J1939TpStartOfReception @ PduR_Logic.c实现了COM模块的Buffer请求。
BAM广播
CMDT点对点通信

3.3 J1939TP模块概念理解

Channels、PGs和Relations

J1939TP顶层的配置结构体是J1939Tp_ConfigType，如下
```
typedef struct {
    const J1939Tp_RxPduInfoRelationsType* RxPduRelations;
    const J1939Tp_ChannelType*            Channels;
    const J1939Tp_PgType*                 Pgs;
} J1939Tp_ConfigType;
```
RxPduRelations可以对应到每个PDU ID，也就是说，在发送、接收的时候，都是索引到某一个RxPduRelations，然后再发送出去。

Channels对应到DA（目的地址）和SA（源地址）相同的所有PDU（无MetaData）。

Pgs对应不同的参数组，一个Channel（也就是相同的发送者和接收者）中可以有多个PG。

基于CMDT的数据收发过程

(1)Sender send RTS, Receiver receive RTS
Receiver:
	1.根据CAN IF模块的索引，找到Relaitions[i]
	2.Relaitions[i]对应到多个RxPdus，进行逐个遍历，具体为CM（连接管理）、DT（数据传输）、DIRECT（直接数据传输）等，而且RxPdus每个都会配置对应到哪个Channel
	3.因为是RTS，所以索引到CM时，就可以对应
	4.在CM对应的处理函数中，取出RTS数据域中的PGN(Byte[5:7])
	5.根据上述PGN遍历Channel中的PGs，找到对应的PG
	6.J1939TP管理的ChannelInfoPtr结构体变量（每个Channel都会有一个对应的）进行初始化，准备开始接受，具体包括已接收DT数据帧个数、剩下需要接收的DT数据帧个数、总数据字节个数、currentPgPtr等
	7.请求COM准备Buffer，如果有错误就会断开此次连接，否则进行下面
	8.开始计时器，发送CTS（会指定到下次发送CTS前，可以发送多少帧DT）
  
(2)Receiver send CTS, Sender receive CTS
Sender:
	1.根据CTS设置的发送数据帧个数，来逐个发送DT数据帧

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宋超超 | Charles

AUTOSAR架构的CAN通信配置之CANTP和J1939TP模块