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news 2025/7/16 6:51:45

AUTOSAR FlexRay ISO Transport Layer (FrTp) 详解

基于AUTOSAR标准的FlexRay传输层协议分析

1. 概述

AUTOSAR FlexRay Transport Layer (FrTp)是AUTOSAR基础软件架构中的一个关键模块，它按照ISO 10681-2标准实现，为应用层与FlexRay网络之间提供了透明的数据传输服务。本文档详细分析了FrTp模块的架构、配置结构、状态机和消息传输流程。

根据AUTOSAR分层软件架构，FlexRay Transport Protocol (FrTp)位于PDU Router模块和FlexRay Interface模块之间。FrTp的主要功能是对那些无法适配单个FlexRay L-PDU的消息（I-PDU）进行分段和重组。

FrTp的主要功能包括：

在发送方向上对数据进行分段
在接收方向上对数据进行重组
分段会话中的错误检测
数据流控制

FrTp支持1:1和1:n连接，并且可以传输高达2^16-1字节的数据。

2. FrTp架构设计

下图展示了AUTOSAR FlexRay Transport Layer (FrTp)的架构及其与其他模块的关系：

在这里插入图片描述

2.1 架构说明

FrTp在AUTOSAR分层架构中处于通信服务层，与其他模块的关键交互如下：

2.1.1 上行接口（与PDU Router）

FrTp模块从PDU Router模块请求以下服务原语：

PduR_FrTpStartOfReception: FrTp指示开始接收FrTp-I-PDU
PduR_FrTpCopyRxData: FrTp启动从FrTp N-PDU有效负载数据到上层Rx缓冲区的复制过程
PduR_FrTpRxIndication: FrTp指示FrTp-I-PDU接收完成（成功或失败）
PduR_FrTpCopyTxData: FrTp启动从上层Tx缓冲区到FrTp N-PDU有效负载数据的复制过程
PduR_FrTpTxConfirmation: FrTp模块确认Fr N-SDU的发送（成功或失败）给相应的发送模块（如COM、DCM等）

PDU Router调用FrTp的服务原语包括：

FrTp_Transmit: 上层模块通过PDU Router发起I-PDU数据传输
FrTp_CancelTransmit: 在发送方取消Fr N-SDU的发送
FrTp_ChangeParameter: 更改FrTp模块的通信参数
FrTp_CancelReceive: 取消正在进行的接收

2.1.2 下行接口（与FlexRay Interface）

FrTp调用FlexRay Interface (FrIf)模块的以下服务原语：

FrIf_Transmit: 发起Fr N-PDU的传输

FlexRay Interface调用FrTp的服务原语包括：

FrTp_RxIndication: FrIf模块指示接收到FrTp帧（Fr N-PDU）
FrTp_TxConfirmation: FrIf模块确认包含Fr N-PDU的帧通过FlexRay网络成功或失败地发送
FrTp_TriggerTransmit: FrIf模块获取Fr N-PDU数据

2.1.3 与系统服务的接口

FrTp与系统服务模块的交互：

FrTp_Init: 由ECU状态管理器调用以初始化FrTp模块
FrTp_Shutdown: 由ECU状态管理器调用以关闭所有活动通信链接并释放资源
Det_ReportError: FrTp报告开发错误给默认错误追踪模块

2.2 FrTp功能

FrTp模块的关键功能包括：

数据分片和重组: 将大型I-PDU分段为多个FlexRay L-PDU，或将多个L-PDU重组为完整I-PDU
数据传输控制和确认: 确保数据可靠传输，管理传输确认
流量控制: 通过流控制帧管理发送方和接收方之间的数据流
超时监控: 监控各种超时参数以确保通信的可靠性
错误检测: 检测分段会话中的错误并进行适当处理

3. FrTp配置结构

下图展示了AUTOSAR FlexRay Transport Layer (FrTp)的配置结构：

在这里插入图片描述

3.1 配置结构说明

FlexRay Transport Layer的配置结构主要包含以下组件：

3.1.1 FrTp配置类

FrTp配置类是整个模块配置的根容器，包含以下子容器：

FrTpGeneral: 包含全局配置参数
FrTpConnectionConfig: 包含多个连接配置
FrTpTxPduPool: 包含多个PDU池配置
FrTpConnectionControl: 包含连接控制参数

3.1.2 FrTpGeneralType

通用配置参数，控制模块全局行为：

FrTpDevErrorDetect: 开发错误检测开关，类型为boolean
FrTpCommunicationTimeout: 通信超时时间，类型为float
FrTpChangeParameterApi: 是否支持参数变更API，类型为boolean
FrTpCancelReceiveApi: 是否支持取消接收API，类型为boolean
FrTpCancelTransmitApi: 是否支持取消发送API，类型为boolean
FrTpTxConfirmationTimeout: 发送确认超时时间，类型为float
FrTpVersionInfo: 是否支持版本信息API，类型为boolean
FrTpMainFunctionPeriod: 主函数周期，类型为float

3.1.3 FrTpConnectionType

定义FrTp连接，每个连接具有以下属性：

FrTpChannelId: 通道ID，类型为uint8
FrTpLocalAddr: 本地地址，类型为uint16
FrTpRemoteAddr: 远程地址，类型为uint16
FrTpNSduId: N-SDU ID，类型为uint16
FrTpBufferPoolRef: 缓冲池引用，类型为reference
FrTpConnectionControlRef: 连接控制引用，类型为reference

每个FrTp连接都有模块范围内唯一的RemoteAddress/LocalAddress对，这相当于ISO 10681-2中的源地址和目标地址。

3.1.4 FrTpTxPduPoolType

PDU池配置，用于动态带宽分配：

FrTpTxPduRef: PDU引用列表，类型为reference数组
FrTpTxPduPoolInit: 初始值，类型为uint8
FrTpTxPduPoolMax: 最大值，类型为uint8

FrTpTxPduPool包含配置用于发送FrTp N-PDU的N-PDU列表。一个FrTpTxPduPool可以被不同的FrTpConnection引用，但每个FrTpConnection只能引用一个FrTpTxPduPool。

3.1.5 FrTpConnectionControlType

连接控制参数，包含各种超时参数和流控制配置参数：

FrTpTimeBs: 发送方等待FlowControl N-PDU的超时时间，类型为float
FrTpTimeBr: 接收方等待下一个FlowControl/LastFrame N-PDU的超时时间，类型为float
FrTpTimeCr: 接收方等待下一个ConsecutiveFrame N-PDU的超时时间，类型为float
FrTpTimeCs: 发送方等待发送下一个ConsecutiveFrame N-PDU的超时时间，类型为float
FrTpTimeAs: 发送方的超时参数，类型为float
FrTpTimeAr: 接收方的超时参数，类型为float
FrTpMaxFrIf: 最大FlexRay接口实例数，类型为uint8
FrTpMaxAs: 最大发送方超时计数，类型为uint8
FrTpMaxAr: 最大接收方超时计数，类型为uint8
FrTpMaxFcWait: 最大流控制等待计数，类型为uint8
FrTpBandwidthLimitation: 是否启用带宽限制，类型为boolean
FrTpPaddingActivation: 是否启用填充，类型为boolean

3.1.6 运行时数据结构

运行时数据结构包含以下主要组件：

FrTpRuntime: 包含运行时参数和通道列表
FrTpChannel: 包含通道相关的运行时参数
FrTpConCtrlRuntime: 包含连接控制的运行时参数
FrTpPduPoolRuntime: 包含PDU池的运行时参数

这些运行时数据结构用于跟踪和控制通信会话的状态，每个通道可以分配用于处理连接，通道是FrTp的运行时资源。

3.2 配置与运行时关系

配置结构和运行时数据结构之间存在以下关系：

FrTpChannel引用FrTpConnection、FrTpPduPoolRuntime和FrTpConCtrlRuntime
FrTpConCtrlRuntime引用FrTpConnectionControl
FrTpPduPoolRuntime引用FrTpTxPduPool
FrTpConnection引用FrTpTxPduPool和FrTpConnectionControl

这种设计允许多个连接共享相同的控制参数和PDU池，实现更有效的内存使用和资源分配。

4. FrTp状态机

下图展示了AUTOSAR FlexRay Transport Layer (FrTp)的状态机：

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4.1 发送端状态机

发送端状态机控制消息的发送过程，包含以下主要状态：

4.1.1 空闲状态

含义: 发送端处于空闲状态，可以开始新的传输
特征: 没有活动的传输会话
退出条件: 接收到来自上层的传输请求

从空闲状态，根据数据长度，可以转换到以下状态：

如果数据长度小于或等于最大SF长度，则发送SF(Single Frame)并转换到等待传输确认状态
如果数据长度大于最大SF长度，则发送SF/FF(First Frame)并转换到等待FC状态

4.1.2 等待FC状态

含义: 等待接收方发送的流控制帧
特征: 已经发送SF/FF，等待接收方的响应
进入条件: 发送了FF或大于最大SF长度的SF帧
退出条件: 收到FC帧、超时或取消传输

从等待FC状态可以转换到以下状态：

如果收到FC(CTS)，则转换到传输CF数据状态
如果收到FC(WAIT)且等待次数小于最大等待次数，则保持在等待FC状态
如果收到FC(WAIT)且等待次数大于或等于最大等待次数，或者超时(FrTpTimeBs到期)，则转换回空闲状态
如果传输被取消，则终止传输

4.1.3 传输CF数据状态

含义: 发送连续帧(CF)
特征: 正在按照流控制参数发送数据块
进入条件: 收到FC(CTS)
退出条件: 发送完当前数据块或达到最后一块数据

从传输CF数据状态可以转换到以下状态：

如果未达到最后块，则继续留在传输CF数据状态
如果达到最后块，则转换到传输LF数据状态
如果发送完当前块但未完成全部发送，则根据情况转换到等待FC状态或等待传输确认状态

4.1.4 传输LF数据状态

含义: 发送末帧(LF)
特征: 正在发送最后一帧数据
进入条件: 从传输CF状态转换过来，准备发送最后一帧
退出条件: 发送LF后

从传输LF数据状态发送LF后，转换到等待传输确认状态。

4.1.5 等待传输确认状态

含义: 等待传输确认
特征: 已发送所有数据帧，等待确认
进入条件: 发送完SF或LF
退出条件: 收到传输确认或超时

从等待传输确认状态可以转换到空闲状态，条件是收到传输确认或超时。

4.2 接收端状态机

接收端状态机控制消息的接收过程，包含以下主要状态：

4.2.1 空闲状态

含义: 接收端处于空闲状态，可以接收新的传输
特征: 没有活动的接收会话
退出条件: 接收到SF/FF

从空闲状态，当接收到SF/FF时，转换到等待CF状态。

4.2.2 等待CF状态

含义: 等待连续帧(CF)
特征: 已经接收了SF/FF，等待后续数据帧
进入条件: 接收到SF/FF
退出条件: 接收完所有数据、接收到LF、超时或取消接收

从等待CF状态可以转换到以下状态：

如果可以继续接收，则发送FC(CTS)并转换到等待FC确认状态
如果暂时无法接收，则发送FC(WAIT)并转换到等待FC确认状态
如果接收到LF或接收完成，则转换回空闲状态
如果超时(FrTpTimeCr到期)，则转换回空闲状态
如果接收被取消，则终止接收

4.2.3 等待FC确认状态

含义: 等待流控制帧的传输确认
特征: 已经发送了FC帧，等待确认
进入条件: 发送了FC(CTS)或FC(WAIT)
退出条件: 收到FC传输确认或超时

从等待FC确认状态可以转换到以下状态：

如果收到FC传输确认，则转换回等待CF状态
如果超时(FrTpTimeAr到期)，则转换回空闲状态

4.3 状态机总结

FrTp状态机通过严格控制发送和接收过程，确保数据传输的可靠性和有序性。关键帧类型包括：

SF(Single Frame): 单帧，用于小数据量的传输
FF(First Frame): 首帧，多帧传输的第一帧
CF(Consecutive Frame): 连续帧，多帧传输的中间帧
LF(Last Frame): 末帧，多帧传输的最后一帧
FC(Flow Control): 流控制帧，用于控制数据流

超时参数对于状态转换至关重要，包括：

FrTpTimeBs: 发送方等待FC的超时时间
FrTpTimeBr: 接收方的相关超时时间
FrTpTimeCr: 接收方等待CF的超时时间
FrTpTimeAr: 接收方的流控制确认超时时间

5. FrTp消息传输流程

下图展示了AUTOSAR FlexRay Transport Layer (FrTp)的消息传输序列：

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5.1 单帧传输流程

当需要传输的数据较小，能够放入单个帧时，FrTp会使用单帧传输：

发起传输:
- 上层模块(COM/DCM)调用PDU Router的服务
- PDU Router调用FrTp_Transmit服务
- FrTp从上层获取数据(PduR_FrTpCopyTxData)
单帧发送:
- FrTp创建Single Frame (SF)
- FrTp通过FrIf_Transmit服务发送SF
- SF通过FlexRay网络从发送节点传输到接收节点
接收处理:
- 接收节点的Fr Driver接收到数据并通知FrIf
- FrIf调用FrTp_RxIndication通知FrTp
- FrTp调用PduR_FrTpStartOfReception获取接收缓冲区
- FrTp将数据复制到上层缓冲区(PduR_FrTpCopyRxData)
- FrTp通知PDU Router接收完成(PduR_FrTpRxIndication)
传输确认:
- FrIf通知FrTp单帧传输确认(FrTp_TxConfirmation)
- FrTp通知PDU Router传输完成(PduR_FrTpTxConfirmation)
- PDU Router通知上层模块

整个单帧传输过程简单高效，适用于小数据量的传输。

5.2 多帧传输流程

当数据量较大时，FrTp会使用多帧传输，包括首帧(FF)、流控制帧(FC)、连续帧(CF)和末帧(LF)：

发起传输:
- 上层模块(COM/DCM)调用PDU Router的服务
- PDU Router调用FrTp_Transmit服务
- FrTp从上层获取数据(PduR_FrTpCopyTxData)
首帧发送:
- FrTp创建First Frame (FF)并通过FrIf发送
- 接收节点接收FF并通知FrTp
- FrTp获取接收缓冲区并复制数据
流控制处理:
- 接收方FrTp发送Flow Control (FC)帧
- 发送方接收FC帧并根据FC类型决定下一步操作
- FC类型包括CTS(Continue To Send)和WAIT(等待)
连续帧传输:
- 发送方根据FC参数循环发送Consecutive Frame (CF)
- 每发送一个CF，发送方从上层获取新数据
- 接收方接收CF并将数据复制到上层缓冲区
末帧处理:
- 发送方发送Last Frame (LF)表示传输结束
- 接收方接收LF，完成数据复制
- 接收方通知上层接收完成
传输确认:
- FrIf通知FrTp传输确认
- FrTp通知PDU Router传输完成
- PDU Router通知上层模块