Autosar Time Sync 时间同步

引入车载以太网之后，很好地解决了有大量数据交换或者发布/订阅模式需求的场景，不过呢，车内也有不少对通信过程中包含时间约束的应用场景，本文将介绍Classic AUTOSAR中和时间同步有关的内容。

前言

首先，我们考虑以下场景：

我们创建了两个不同的Runnable，它们都需要根据某一操作指令，控制对应的执行机，为了保证执行能正确达到预期，我们需要保证它们能同时（或者以固定的偏移量）去控制执行机。
车身周围的环视摄像头，我们需要读出图像数据并且做融合，需要保证处理的各个摄像头数据时同步的；或者是发生故障时记录当时的故障数据，也需要保证能记录到当前时间点的所有数据

无论是哪一种情况，关键词就是“同步”，我们需要有一个模块来管理同步时间基准。当然，在AUTOSAR的规范里，被称作为StbM——Synchronized Time-base Manager。

时间基准既可以代表运行时长，时间基准来源，也可以是真实世界时间。例如：

GPS时间（绝对时间）
车辆总运行时间（相对时间）
ECU启动时间（相对时间）

StbM

我们首先来看一下官方文档如何说明这个模块的。

作为管理模块，StbM并不会指定，也不提供任何网络时间协议，一切和总线类型和时间协议有关的工作都需要由上图蓝色框所示的<bus>TSyn来完成。

收到<bus>TSyn提供的信息之后，StbM就可以来同步它与其他节点的时间基准。

作为时间基准的“代理”，StbM提供的时间信息，会提供给对应的“消费者”（OS & SWC）。

一般地，硬件参考时钟被用来作为基准时间的实现。由于硬件参考时钟达到寄存器最大值时会“溢出”再次从0开始增加，软件中会增加计数器共同来实现虚拟本地时间。

引入频分(Rate Deviation)以及偏移(Offset)之后，虚拟本地时间可以用来作基准时间。

三种时间“消费者”

还是这张图，我们来看看各个消费者是如何与StbM进行交互的。

Active Customer

从StbM读取时间信息（箭头2）
根据应用信息，由StbM更新时间基准（箭头3）

Triggered Customer

仅和OS调度表同步功能有关（箭头1）

Notification Customer

时间基准状态改变（例如发生了timeout时间）（箭头4）
时间基准达到给定值（箭头4），这个给定值是由消费者设定的（箭头5）

时间服务

在汽车当中，为了完成时间同步，我们会定义不同的Master与Slave，它们之间靠<Bus>Tsync来完成时间信息的传送。

例如上图，我们可以有一个系统级的Master---Global time master，其他的ECU可以形成不同的time domain，并定义各自的time master与slave。

如何做时间同步

如上图所示，Master提供时间基准给其他ECU，由于同步前每个ECU都有自己的基准时间，为了能够更新本地的基准时间保持和Master同步，需要知道两个基准时间的偏移量（offset）。

Master周期性地发送Sync帧给Slave，那么Slave能够在t2时间收到Sync帧并记录t2时间。由于发送时的t1时间只有发送时刻才能得到，t1时间是无法和Sync帧一块儿发送的，因此需要再发送一次Followup帧，将t1时间作为数据传送给Slave。

Slave收到之后就能根据t2-t1-d得出这个offset，修正自己的基准时间，完成同步。

不过呢，你肯定会发现一个问题，就是总线上传输时间d，包括经由路由或交换机的延时没有被考虑在内，算式虽有，可还是无法完成计算。

为了计算出d的大小，我们可以采取这样的方案：

Slave发送PathDelayReq帧给到Master，并记录发送时间t1，相应的，Master记录接收时间t2。
Master回送PathDelayResp帧，记录t3时间，Slave记录接收时间t4。
Master再发送一个PathDelayRespFollowup帧，将t2, t3时间作为数据发送给Slave。
Slave根据算式 ((t4-t1)-(t3-t2))/2得到传输时间d。

硬件时间戳

如果以太网控制器集成有时钟，能够为以太网消息加上硬件时间戳，那么时间同步的精确度可以进一步提高。如果你使用的是EB的以太网驱动，那么有无硬件时钟的两种情况，都能支持。

Best Master Clock Algorithm (BMCA) 最佳主时钟算法

在实际工程中，为了精确度或是冗余度，可能会存在多个Master的情况，这个时候需要用到BMCA算法。

Master会发送Announce消息，来向各个Slave声明自己是主时钟，Slave会选择更好的那一个。

时间同步网关

查了下我司软件，如果同时配置了本节点为Master和Slave，那么就会作为Gateway的角色参与时间同步。（强烈要求广告费= =..）

任务同步

之前有说到，OS是目前定义的唯一一个triggered customer，需要提供接口给到Stbm做调度表同步，也即修改调度表对应的Time Base。

在同步之前，Stbm会检查OS调度表的状态，只有当状态处于WAITING，RUNNING或者RUNNING_SYNCHRONOUS时才能进行同步操作。

QoS

待更新

以太网时间同步EthTsync

以太网时间同步机制基于PTP (Precision Time Protocol) ，在IEEE1588和IEEE802.1AS 中有对应描述。

IEEE802.1AS, 也被称作gPTP (generalized Precision Time Protocol), 可以被视为IEEE1588的一个子集。

然而, 无论是IEEE1588还是IEEE802.1AS，本身都不是基于车载需求而开发出来的，因此，目前所用的以太网时间同步机制基于IEEE802.1AS有一定的扩展以及限制。

由于车载以太网中，硬件拓扑，ECU等都是静态的，所以BMCA算法往往也是不需要的。