映射DDS和AUTOSAR類型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于使用AUTOSAR制造車輛的公司來說，已經(jīng)出現(xiàn)了兩個(gè)不同的平臺(tái) - AUTOSAR Classic和AUTOSAR Adaptive 這兩個(gè)AUTOSAR平臺(tái)之間互操作性的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。使 AUTOSAR 自適應(yīng)應(yīng)用程序能夠與現(xiàn)有和未來的 DDS系統(tǒng)進(jìn)行互操作。

什么是dds？

DDS最重要的特性是以數(shù)據(jù)為中心，這是與其他很多通信中間件不同的地方。DDS的數(shù)據(jù)共享以Topic為單元，應(yīng)用程序能夠通過Topic判斷其所包含的數(shù)據(jù)類型，而不必依賴其他的上下文信息。同時(shí)，DDS能夠按照用戶定義的方式自動(dòng)地進(jìn)行存儲(chǔ)、發(fā)布或訂閱數(shù)據(jù)，使應(yīng)用程序能夠像訪問本地?cái)?shù)據(jù)一樣去寫入或者讀取數(shù)據(jù)

DDS實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享可以理解成一個(gè)抽象的“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”，任何應(yīng)用程序，不論開發(fā)語言，或者運(yùn)行的操作系統(tǒng)類型，都可以通過相同的方式訪問這個(gè)“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”，就好像訪問本地的存儲(chǔ)空間一樣。當(dāng)然“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”僅僅是一個(gè)抽象的概念，在實(shí)現(xiàn)時(shí)仍然是分別存儲(chǔ)在每個(gè)應(yīng)用程序的本地空間當(dāng)中。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)是按需傳輸或存儲(chǔ)的，數(shù)據(jù)的發(fā)布者僅僅發(fā)送對(duì)方需要的數(shù)據(jù)，而訂閱者僅接收并存儲(chǔ)本地應(yīng)用程序當(dāng)前需要的數(shù)據(jù)。DDS還提供了非常靈活的QoS（Quality of Service）策略，以滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)共享方式的不同需求，比如可靠性，故障處理等等。針對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求比較高的系統(tǒng)，DDS還提供了細(xì)顆粒度的數(shù)據(jù)安全控制，包括應(yīng)用程序身份認(rèn)證，權(quán)限控制，數(shù)據(jù)加密等等。

類似于SOME/IP-SD，DDS提供了對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)布者和訂閱者的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，這意味著用戶不必去配置通信節(jié)點(diǎn)的地址或其他屬性信息，因?yàn)樗麄冊(cè)谶\(yùn)行的過程中會(huì)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)對(duì)方，并自動(dòng)完成相關(guān)配置，即實(shí)現(xiàn)了“即插即用“。）

關(guān)于RTIDDS詳細(xì)的的介紹，請(qǐng)到最后一節(jié)查看。

什么是中間件？

中間件是位于操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序之間的軟件層，它將操作系統(tǒng)提供的資源進(jìn)行抽象和封裝，為應(yīng)用程序提供各種各樣的高級(jí)的服務(wù)和功能，比如通信或數(shù)據(jù)共享。中間件的存在簡化了應(yīng)用程序開發(fā)者的工作，這使他們能夠?qū)⒆⒁饬Ψ旁趹?yīng)用程序本身上，而不必在不同應(yīng)用程序之間或不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸上花太多精力）

什么是 DDS 網(wǎng)絡(luò)綁定？

在 AUTOSAR 自適應(yīng)平臺(tái)中，通信管理功能集群提供面向服務(wù)的通信建模和基礎(chǔ)設(shè)施。應(yīng)用程序構(gòu)建在中間件之上，應(yīng)用程序級(jí) API 與協(xié)議無關(guān)，中間件在 API 和實(shí)際的底層通信技術(shù)之間進(jìn)行代理。AUTOSAR 中代理或者此類映射稱為“網(wǎng)絡(luò)綁定”，下面是三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議：

DDS

SOME/IP

基于信號(hào)的通信

由于 AUTOSAR 自適應(yīng)平臺(tái)的各種設(shè)計(jì)方面，為 AUTOSAR 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)綁定組件通常是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)：面向應(yīng)用程序的 API 和網(wǎng)絡(luò)綁定組件之間不存在標(biāo)準(zhǔn)化的 API 層，因此要求特定網(wǎng)絡(luò)綁定的實(shí)現(xiàn)者以各自不同的方式來集成AUTOSAR 有自己的數(shù)據(jù)類型系統(tǒng)，必須通過網(wǎng)絡(luò)綁定與每個(gè)底層通信技術(shù)（即 DDS 自己的可擴(kuò)展類型）的類型系統(tǒng)和功能進(jìn)行協(xié)調(diào))AUTOSAR還規(guī)定了非常具體的對(duì)象生命周期和內(nèi)存管理協(xié)議，這些協(xié)議必須與網(wǎng)絡(luò)綁定封裝的底層框架相匹配。

映射 DDS 和 AUTOSAR 類型系統(tǒng)

盡管 AUTOSAR 類型相當(dāng)常見并且自然映射到 DDS-XTypes（布爾值、數(shù)字、字符串、結(jié)構(gòu)、數(shù)組、序列等）——并且這種映射已經(jīng)在通信管理規(guī)范中的 DDS 網(wǎng)絡(luò)綁定材料中指定——但實(shí)際集成需要將 PSM（平臺(tái)特定模塊）組合在一起，用于 C 和C++編程語言中的兩種類型系統(tǒng)。我們將選擇AUTOSAR支持的唯一語言綁定，C++（最多C++14）和DDS的C語言PSM。從一個(gè)簡單的示例開始，下面是從 DDS-IDL 或 DDS-XML 轉(zhuǎn)換為 C 后的簡單 Point3D 類型的外觀：

struct Point3D {

     float x;

     float y;

     float z;

};

然后從AUTOSAR的ARXML轉(zhuǎn)換為C++：

struct Point3D {

     float x;

     float y;

     float z;

};

讓我們進(jìn)一步改進(jìn)我們的類型目錄，將 3D 點(diǎn)分組為點(diǎn)云，為了簡單起見，這些點(diǎn)云僅作為固定長度的數(shù)組排列。根據(jù) DDS C PSM，有如下定義：

typedef Point3D PointCloud[1024];

但是相同的類型（1024個(gè)元素的點(diǎn)數(shù)組）將在AUTOSAR Adaptive中生成，如下所示：

typedef ara::Array PointCloud;

它們明顯是相似但不相同的類型。事實(shí)上，ara：：core：：Array<>保留了一些普通固定長度數(shù)組類型的語義（例如索引訪問），但也添加了類似 STL 的語義，如 begin（） 和 end（） 方法，并且不會(huì)隱式轉(zhuǎn)換為 Point3D 指針。對(duì)于其他類型的，例如字符串和向量，此差距甚至更大。

在RTI的ara：：com中，通過AUTOSAR建模的用戶定義類型（結(jié)構(gòu)體）的實(shí)現(xiàn)類型不包含值字段，而是引用內(nèi)部管理的“后端存儲(chǔ)”的功能兼容包裝器。此類后端存儲(chǔ)可能基于 Adaptive Platform 的 PSM（標(biāo)準(zhǔn)C++數(shù)值類型和 ara：：core 容器類型）或 DDS 的 PSM 自動(dòng)生成類型，來自 DDS-IDL 或 DDS-XML。這種方法不僅簡化了與多種不同的通信框架的集成，而且還為共享數(shù)據(jù)時(shí)的高效內(nèi)存管理和增刪改數(shù)據(jù)樣本提供了便利。

實(shí)現(xiàn)高效的內(nèi)存管理

由于上一節(jié)中描述的數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)的靈活性，數(shù)據(jù)樣本出現(xiàn)了兩種非獨(dú)占內(nèi)存管理策略：

實(shí)現(xiàn)類型實(shí)例可以由應(yīng)用程序直接分配堆?；蚨眩@會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部類型實(shí)現(xiàn)使用 AUTOSAR 的內(nèi)存中 PSM 類型。當(dāng)傳遞給底層框架時(shí)，這些數(shù)據(jù)類型必須根據(jù)所需的目標(biāo)數(shù)據(jù)格式（即，來自DDS-IDL或DDS-XML的DDS自動(dòng)生成的類型）進(jìn)行轉(zhuǎn)換和/或序列化。

在尋求零拷貝傳輸時(shí)，應(yīng)用程序還可以利用事件和字段通知程序提供的標(biāo)準(zhǔn) Allocate（） 方法。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)綁定將盡可能要求底層框架“借出”內(nèi)部分配的數(shù)據(jù)樣本，該樣本將在應(yīng)用程序填充和發(fā)回時(shí)“返回”。后者是一種非常強(qiáng)大的機(jī)制，允許在幾種情況下進(jìn)行與大小無關(guān)的恒定時(shí)間傳輸：

共享內(nèi)存?zhèn)鬏?/p>

內(nèi)存映射網(wǎng)絡(luò)接口

進(jìn)程內(nèi)通信

除了以高性能的方式映射類型系統(tǒng)和 API 之外，AUTOSAR 的汽車產(chǎn)品重點(diǎn)還帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)：功能安全合規(guī)性。在任何ISO-26262 ASIL級(jí)別中，評(píng)估任何DDS實(shí)施，都要有SEooC，脫離（SEooC）去評(píng)估本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)，下面是一些對(duì)DDS實(shí)施和AUTOSAR的一些約束和要求：

C 是 DDS 網(wǎng)絡(luò)綁定實(shí)現(xiàn)中唯一允許的 DDS 語言 PSM，因此可以輕松適應(yīng)多種 DDS 實(shí)現(xiàn)（占用空間小、安全意識(shí)強(qiáng)）

多綁定支持是必須的，因?yàn)榭隙ㄐ枰峁┒鄠€(gè)DDS網(wǎng)絡(luò)綁定才能支持上述各種DDS實(shí)現(xiàn)。

AUTOSAR 自適應(yīng) DDS 網(wǎng)絡(luò)綁定規(guī)范中更精簡的服務(wù)發(fā)現(xiàn)和綁定功能方法，使用在大多數(shù) DDS 中間件實(shí)現(xiàn)中更容易找到的常見 DDS 功能（主題、實(shí)例）

RTI DDS 介紹

審核編輯：劉清