从手写代码到AUTOSAR工具链_MCAL应用篇

1 引言

在AUTOSAR分层架构中，MCAL是最基础的一层。由于该层直接和单片机打交道，在整个开发流程中往往最靠前，在PCB测试过程中也发挥着至关重要的作用。

本文以MCAL的串口模块为例，分别讲述UART手工和工具链编程的方法。对于MCAL的其它模块，设计思路和步骤是类似的，可参照本文的要点进行开发。

2 基本概念

为表述方便，首先对本文中出现的概念或术语进行说明，文中黑体字为“官方定义”，红体字加入了本人的理解。

2.1 MCAL

MCAL（Microcontroller Abstraction Layer）指微控制器抽象层，是实现不同硬件接口统一化的特殊层。通过微控制器抽象层可将硬件封装起来， 避免上层软件直接对微控制器的寄存器进行操作。微控制器抽象层包括微控制器驱动（Microcontroller Drivers）、存储器驱动（Memory Drivers）、通信驱动（Communication Drivers）以及I/O驱动（I/O Drivers）。

简单来说，MCAL就是主控芯片（单片机）的外设驱动。

2.2 静态代码和动态代码

静态代码（Static Code）指各模块功能的具体实现代码；动态代码（Dynamic Code）指由配置工具根据相关配置信息生成的代码，也称为配置代码。

在AUTOSAR应用过程中，静态代码实现了某模块的全部功能，且其内容在工具链不更新的前提下是不会改变的。而具体用到该模块的哪些功能以及用何种方式实现这些功能，是由用户通过工具配置出来的，配置结果生成在动态代码的程序文件中。

2.3 配置文档和设计文档

在工具链开发过程中，文档的编写显得尤为重要。原因是各个功能块都是用工具配置出来的且生成代码量极其庞大，通过代码研读的方式分析查找问题不太现实，需要把整个工作过程记录下来。在MCAL开发过程中最好输出如下2个文档。

设计文档：记录MCAL模块的整个设计过程，包括MCAL相关模块的配置、初始化函数的调用、功能具体实现和调试过程等。

配置文档：作为设计文档的一部分，聚焦MCAL本模块配置的详细步骤。

2.4 MCAL用户手册

MCAL用户手册（User Manual）作为MCAL开发过程中最重要的文档，存在于“EB Tresos Studio”（MCAL配置工具）的安装包中。

3 设计思路

下面着重讲述手工方式和工具链方式设计主控芯片外设驱动在思路上的差别。

3.1 单片机驱动手工编程设计思路

单片机底层驱动手工编程的设计步骤如图3-1所示。

图3-1: 手写代码实现单片机外设驱动步骤

3.2 单片机驱动工具链开发设计思路

单片机底层驱动工具链开发的设计步骤如图3-2所示。

图3-2: 工具链开发实现单片机外设驱动步骤

3.3 注意事项

这里着重强调一点，在用工具链开发单片机外设驱动的过程中，千万不要像传统方法那样研究单片机的寄存器和时序。AUTOSAR工程数据结构复杂，函数调用层级众多，在短时间内将某个模块的静态代码研究明白不太现实。从实例和配置项含义入手，再配合以局部改动和调试，往往能取得事半功倍的效果。

4 手写代码实现方法

用手工编程方式实现单片机UART模块，主要包括初始化、中断处理、数据收发等几部分，收发数据往往以字节为单位进行，图4-1和图4-2为手工方式实现UART模块的代码段截图。

图4-1: UART手写代码截图-寄存器配置

图4-2: UART手写代码截图-功能实现

5 AUTOSAR工具链实现方法

下面列出AUTOSAR工具链实现UART功能的步骤，这里将TC275的P14.10和P14.8用做UART的发送和接收管脚。

表5-1: 主控芯片和工具一览表

序号	项	内容
1	主控芯片	Infinean TC275
2	MCAL工具	EB Tresos Studio 16.0
3	AUTOSAR工具	ETAS ISOLAR-AB 4.0
4	OS工具	RTA-OS 5.6.3
5	IDE	Hightec 4.9.2

5.1 Port模块配置

首先需要配置参与串口通信的P14.8和P14.10，重点是将P14.10的功能配置为“ATX1”。

表5-2: P14.8参数配置

序号	配置项	配置值	说明
1	PortPinId	232	每个管脚唯一的ID号，不可配置
2	PortPinSymbolicName	PORT_14_PIN_8	用户为P14.8管脚定义的名字
3	PortPinDirection	PORT_PIN_IN	管脚用作输入
4	PortPinDirectionChangeable	NC	因未使能相应API函数，不可配置
5	PortPinInputCharacteristic	PORT_PIN_IN_NO_PULL	无上下拉输入
6	PortPinInputHysteresis	FALSE	不启用滞后功能
7	PortPinOutputCharacteristic	NC	输入管脚不可配置
8	PortPinLevelValue	PORT_PIN_LEVEL_LOW	管脚缺省值为0
9	PortPinInitialMode	PORT_PIN_MODE_GPIO	用作通用输入输出管脚
10	PortPinModeChangeable	NC	因未使能相应API函数，不可配置
11	PortPinDriverStrength	NC	输入管脚不可配置
12	PortPinPadLevel	PORT_PDR_CMOS_AUTOMOTIVE_LEVEL	管脚电平级别：车辆电平
13	PortPinAnalogInput	NC	非特定管脚不可配置
14	PortPinControllerSelect	NC	非特定管脚不可配置

表5-3: P14.10参数配置

序号	配置项	配置值	说明
1	PortPinId	234	每个管脚唯一的ID号，不可配置
2	PortPinSymbolicName	PORT_14_PIN_10	用户为P14.10管脚定义的名字
3	PortPinDirection	PORT_PIN_OUT	管脚用作输出
4	PortPinDirectionChangeable	NC	因未使能相应API函数，不可配置
5	PortPinInputCharacteristic	NC	输出管脚不可配置
6	PortPinInputHysteresis	NC	输出管脚不可配置
7	PortPinOutputCharacteristic	PORT_PIN_OUT_PUSHPULL	推挽输出
8	PortPinLevelValue	PORT_PIN_LEVEL_LOW	管脚缺省值为0
9	PortPinInitialMode	PORT_PIN_MODE_ALT4	可选输出功能1：TOUT71
10	PortPinModeChangeable	NC	因未使能相应API函数，不可配置
11	PortPinDriverStrength	PORT_CMOS_SPEED_GRADE1	驱动强度：CMOS速度等级1
12	PortPinPadLevel	PORT_PDR_CMOS_AUTOMOTIVE_LEVEL	管脚电平级别：车辆电平
13	PortPinAnalogInput	NC	非特定管脚不可配置
14	PortPinControllerSelect	NC	非特定管脚不可配置

5.2 Mcu模块配置

Mcu配置分为AscLin和Clock两部分。

5.2.1 ASCLIN配置

按照图5-1和图5-2所示将AscLin1配置为UART驱动。

图5-1: MCU配置进入

图5-2: ASCLIN配置

5.2.2 时钟配置

按照图5-3和图5-4配置ASCLIN模块的时钟，本文示例配置为100MHz。

图5-3: 时钟配置进入

图5-4: ASCLIN时钟配置

5.3 Uart模块配置

依次进行通用箱配置和UART集配置。

5.3.1 通用箱配置

下面介绍UART模块通用（General）箱的配置情况，图5-5为配置界面，表5-4为各项的配置参数和简要说明。

图5-5: UART模块通用箱配置界面

表5-4: UART模块通用箱参数配置

序号	配置项	配置值	说明
1	Config Variant	VariantPostBuildSelectable
2	Name	UartGeneral	配置箱名称
3	UartDevErrorDetect	false	开发错误检测禁止
4	UartIndex (0 -> 255)	0	Uart索引，必须为0
5	UartVersionInfoApi	false	版本信息API禁用
6	UartDeInitApi	false	Uart反向初始化API禁用
7	UartAbortReadApi	false	Uart中止接收API禁用
8	UartAbortWriteApi	false	Uart中止发送API禁用
9	UartPBFixedAddress	false	配置参数集不存放固定地址
10	UartDebugSupport	false	Uart调试功能禁用
11	UartResetSfrAtInit	false	禁止在Uart初始化前复位相关SFR的缺省值
12	UartSleepEnable	true	当收到MCU的休眠请求时ASCLIN模块进入休眠状态
13	UartRunningInUser0Mode	false
14	UartUserModeInitApiEnable	false
15	UartUserModeDeInitApiEnable	false
16	UartUserModeRuntimeApiEnable	false

5.3.2 UART集配置

下面介绍Uart集（UartConfigSet）箱的配置情况，图5-6为其配置界面。

图5-6: Uart集配置界面

1.通用配置

图5-7为Uart集通用（General）箱的配置界面，表5-5为各项的配置参数和简要说明。

图5-7: Uart集通用参数配置界面

表5-5: Uart集通用参数配置

序号	配置项	配置值	说明
1	UartSysClockRef	/Mcu/Mcu/McuModuleConfiguration_0/McuClockSettingConfig_0/McuClockReferencePoint	Uart系统时钟引用，MCU模块配置值为100MHz

2.Uart通道配置

图5-8为Uart通道（UartChannel）箱的配置界面，表5-6为各项的配置参数和简要说明。

图5-8: Uart通道配置界面

表5-6: Uart0通道参数配置

序号	配置项	配置值	说明
1	Name	UartChannel_0	配置箱名称
2①	UartBaudRate	19200	Uart通信波特率
3	UartHwUnit	ASCLIN1	硬件ASCLIN通道，使用P14.8（RXD）和P14.10（TXD）口
4	UartChannelId	0	Uart通道ID，不可配置
5	UartAutoCalcBaudParams	true	自动波特率计算使能
6	UartChanBaudNumerator	-	BRG寄存器的分子域，自动计算波特率时无需配置
7	UartChanBaudDenominator	-	BRG寄存器的分母域，自动计算波特率时无需配置
8	UartChanBaudPrescalar	-	BITCON寄存器的分频域，自动计算波特率时无需配置
9	UartChanBaudOverSampling	-	BITCON寄存器的采样过密域，自动计算波特率时无需配置
10	UartRxPinSelection	SELECT_DATALINE_D	Rx口选择：P14.8为ASCLIN1的数据线D
11	UartDataLength	8	Uart数据长度
12	UartStopBits	1	Uart停止位
13	UartParityBit	NOPARITY	Uart奇偶校验
14	UartCTSEnable	false	CTS功能禁止
15	UartCTSPolarity	-	CTS功能禁止时无需配置
16	Name	UartNotification	配置箱名称
17	UartTransmitNotifPtr	UartTransmitNotifPtr	发送完毕的通知函数
18	UartRecieveNotifPtr	UartReceiveNotifPtr	接收到数据的通知函数
19	UartAbortTransmitNotifPtr	NULL_PTR	中止发送操作后调用
20	UartAbortReceiveNotifPtr	NULL_PTR	中止接收操作后调用

①波特率计算公式（fA = 100MHz）

5.3.3 版本配置

下面介绍Uart模块版本（Published Information）箱的配置情况，图5-9为配置界面，表5-7为各项的配置参数和简要说明。

图5-9: Uart模块版本箱配置界面

表5-7: Uart模块版本箱参数配置

序号	配置项	配置值	说明
1	ArMajorVersion	0	Autosar主版本，不可配置
2	ArMinorVersion	0	Autosar子版本，不可配置
3	ArPatchVersion	0	Autosar补丁版本，不可配置
4	SwMajorVersion	1	软件主版本，不可配置
5	SwMinorVersion	3	软件子版本，不可配置
6	SwPatchVersion	0	软件补丁版本，不可配置
7	ModuleId	255	模块ID，不可配置
8	VendorId	17	供应商ID，不可配置
9	VendorApiInfix	-	API中缀，不可配置
10	Release	_TRICORE_TC275	发布，不可配置

5.4 Irq模块配置

根据需要配置UART模块的中断类型和中断类别，UART的中断类型包括Tx中断、Rx中断和Err中断；中断类别分为一类中断和二类中断，两者的区别和配置方法如表5-8所列。

表5-8: 中断类别说明

事项	一类中断	二类中断
含义	中断服务子程序直接响应	由操作系统接管
类别配置①	在MCAL的Irq模块配置为CAT1	在MCAL的Irq模块配置为CAT23
优先级配置②	在MCAL的Irq模块中配置	在RTA-OS中配置，MCAL的Irq模块写0
应用③	通常用于与DMA配合的收发中断	用于不需要与DMA配合的中断
中断初始化函数调用④	必须调用相应的中断初始化函数	无需调用相应的中断初始化函数

①配置的目的是为了打开Xxx_Irq.c中的相应宏，如图5-10所示

图5-10: 中断服务子程序示例

②数值越大优先级越高

③与DMA配合的中断，处理源（IrqTosConfig）配置为DMA；其它中断配置为相应的CPUx

④中断初始化函数的格式：Irq_Init

5.4.1 MCAL中断配置

按照图5-11和图5-12配置MCAL的Irq模块，配置参数如表5-9所列，其余项使用缺省值。

图5-11: AscLin中断配置进入

图5-12: AscLin中断配置

表5-9: AscLin中断参数配置

序号	配置项	配置值	说明
1	IrqAscLin1TxCat	CAT23	选择二类中断
2	IrqAscLin1RxCat	CAT23	选择二类中断
3	IrqAscLin1ErrorCat	CAT23	选择二类中断
4	IrqAscLin1TxPrio	0	二类中断优先级在RTA-OS中配置
5	IrqAscLin1RxPrio	0	二类中断优先级在RTA-OS中配置
6	IrqAscLin1ErrorPrio	0	二类中断优先级在RTA-OS中配置
7	IrqAscLin1TxTos	CPU0	处理源为CPU0
8	IrqAscLin1RxTos	CPU0	处理源为CPU0
7	IrqAscLin1ErrTos	CPU0	处理源为CPU0

5.4.2 RTA-OS中断配置

在RTA-OS环境下按照图5-13配置表5-10列出的中断。

图5-13: OS中断配置

表5-10: OS中断配置参数

序号	名称	类别	优先级	地址
1	ASCLIN1EX_ISR	CATEGORY_2	37	ASCLIN 1 Error (SRC_ASCLIN1ERR)
2	ASCLIN1RX_ISR	CATEGORY_2	38	ASCLIN 1 Receive (SRC_ASCLIN1RX)
3	ASCLIN1TX_ISR	CATEGORY_2	39	ASCLIN 1 Transmit (SRC_ASCLIN1TX)

注意：上表中的“名称”项非自行命名，须与Xxx_Irq.c中的名称一致，否则编译无法通过。

图5-14: 中断配置名称示例

5.4.3 代码生成

需在RTA-OS中生成OS代码，再在ISOLAR-AB中进行抽取、BSW代码生成、RTE代码生成等操作。

5.5 初始化函数调用

UART模块初始化函数调用在EcuM模块中进行。

5.5.1 模块配置

在ISOLAR-AB中按照图5-15和图5-16的步骤配置表5-11中的参数。

图5-15: EcuM配置启动

图5-16: EcuM串口初始化配置

表5-11: Uart初始化参数配置

序号	配置项	配置值	说明
1	ShortName	Uart	配置箱名称
2	EcuMModuleID	Uart	初始化模块的短名称
3	EcuMModuleParameter	POSTBUILD_PTR	函数原型和输入参数定义
4	EcuMModuleService	Init	模块初始化方式，按照这里配置的初始化函数调用方式为Uart_Init(&Uart_Config)
5	EcuMRbDriverInitCoreId	-	指定驱动初始化被哪个核调用
6	EcuMRbMonitoringCapable	-	指定模块不生成监控服务
7	EcuMRbSequenceID	-	生成的功能桩基于模块配置的顺序
8	EcuMModuleRef	-	模块示例的外部引用，不配置EcuMModuleID时有效

5.5.2 代码编写

在程序文件中编写如图5-17所示的宏定义。

图5-17: Uart初始化宏定义

5.6 调试代码编写

UART模块常用的API函数如表5-12所列。

表5-12: UART模块API函数功用

序号	函数名	输入参数	输出参数	说明
1	Uart_Init	Uart配置集指针	无	UART模块初始化
2	Uart_Read	Channel：接收数据的Uart通道 MemPtr：接收数据存储首地址 Size：准备接收的字节数	无	UART接收
3	Uart_Write	Channel：发送数据的Uart通道 MemPtr：发送数据存储空间首地址 Size：要发送的字节数	无	UART发送
4	UartTransmitNotifPtr	ErrorId：错误ID	无	UART发送完毕通知函数
5	UartReceiveNotifPtr	ErrorId：错误ID	无	UART接收完毕通知函数

调试代码的功用：将接收到的25字节数据发出，图5-18为其主要代码的截图。

如果接收的数据少于25字节，只有在收全25字节后，才执行数据发送的操作；如果接收的数据多于25字节，只接收前25字节并发出。

图5-18: UART收发调试核心代码

审核编辑：刘清