基于OSEK標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在汽車電子中的應(yīng)用

引言
    隨著國(guó)內(nèi)汽車電子產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)和研發(fā)投入的不斷加大，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的汽車電子，如簡(jiǎn)單的ECU已經(jīng)越來(lái)越普及，應(yīng)用于車載音響、儀表、車身控制BCM、動(dòng)力轉(zhuǎn)向EPS等。越來(lái)越多的企業(yè)將精力投入到比較復(fù)雜的控制領(lǐng)域，比如發(fā)動(dòng)機(jī)控制，防抱死系統(tǒng)(ABS)等，對(duì)于這些邏輯復(fù)雜、實(shí)時(shí)性和安全性高的控制任務(wù)，傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)模式非實(shí)時(shí)處理的弊端就越來(lái)越呈現(xiàn)出來(lái)，這就勢(shì)必需要用到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)管理這些任務(wù)。
    OSEK標(biāo)準(zhǔn)是1993年德國(guó)汽車工業(yè)界聯(lián)合推出的，“汽車電子的開放式系統(tǒng)及接口軟件規(guī)范”，即OSEK(Open System and the Corres-ponding Interfaces for Automotive Electronics)。1994年法國(guó)汽車工業(yè)界的相似規(guī)范VDX(Vehicle Distributed Executive)和OSEK規(guī)范合并，從而形成OSEK／VDX規(guī)范體系。當(dāng)前OSEK標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為汽車電子軟件開發(fā)領(lǐng)域中的通用標(biāo)準(zhǔn)，旨在增強(qiáng)軟件代碼安全性、移植性，減少軟件開發(fā)周期。
    目前，市場(chǎng)上通用的開源RTOS有很多，比如μC／OS-Ⅱ，F(xiàn)reeRTOS，Linux-2．6等，但是這些核多半是用于通用領(lǐng)域或者安全性要求不太高的領(lǐng)域，如果將這些移植到汽車電子動(dòng)力安全控制領(lǐng)域，是不太合適的；而且，這些核本身不是基于OSEK標(biāo)準(zhǔn)，如果引入OSEK標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)疑加大了內(nèi)核移植的難度。NEC電子的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RX850是一款基于OSEK標(biāo)準(zhǔn)的汽車級(jí)專用RTOS，其內(nèi)核的實(shí)時(shí)性已經(jīng)得到第三方的專業(yè)測(cè)試。它已經(jīng)被移植到了NEC芯片的集成開發(fā)環(huán)境PM Plus和Green Hills，客戶只需要在IDE(Integrated Develop Environment)中編寫腳本文件來(lái)配置RTOS即可通過(guò)編譯，使得客戶從底層驅(qū)動(dòng)編寫到RTOS任務(wù)調(diào)度輕松實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫結(jié)合”，大大縮短了RTOS移植的開發(fā)周期。本文建立了基于NEC電子32位車身專用芯片V850／Fx3的軟件平臺(tái)，并介紹了如何實(shí)現(xiàn)RX850操作系統(tǒng)的配置，以發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊為控制模型來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度，最后通過(guò)軟仿工具來(lái)分析該內(nèi)核的效率和任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)平臺(tái)介紹
    本系統(tǒng)采用NEC電子的32位車身專用芯片V850／Fx3系列，V850是NEC電子的32位微處理器核，5級(jí)流水線控制，內(nèi)部32個(gè)32位寄存器，乘法／除法指令，數(shù)據(jù)空間支持最大4 GB線性尋址能力，代碼空間支持64 MB線性尋址能力，內(nèi)部1 MB的codeFLASH，60 KB的RAM空間，32 KB的data FLASH用作E2PROM模擬。
    基于OSEK標(biāo)準(zhǔn)的RX850實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)：操作系統(tǒng)規(guī)范(OSEKOS)、通信規(guī)范(OSEKCOM)、網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范(OSEKNM)和OSEK實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言(OSEKOIL)。
    其中OSEKOS是針對(duì)汽車應(yīng)用特點(diǎn)而專門制定的一個(gè)小型RTOS規(guī)范，著重以下幾個(gè)方面：
    (1)可移植性，所有API都是標(biāo)準(zhǔn)化的并且在功能上都有明確的定義；
    (2)可擴(kuò)展性，OSEKOS旨在通用于任何類型的ECU，因此一方面系統(tǒng)要高度的模塊化，另一方面又要能進(jìn)行靈活的配置；
    (3)汽車應(yīng)用的特定需求，諸如可靠性、實(shí)用性和代價(jià)敏感性等。
    相應(yīng)地，OSEKOS靜態(tài)配置可以通過(guò)OS2EKOIL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，用戶在系統(tǒng)生成時(shí)靜態(tài)制定任務(wù)的個(gè)數(shù)、需要的資源和系統(tǒng)服務(wù)。OSEKCOM為通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口和協(xié)議。OSEKNM為監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的流量提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)，以保證網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

2 RX850內(nèi)核配置
    由于RX850已經(jīng)被嵌入到IDE，因此用戶直接編寫內(nèi)核腳本文件即可，下面介紹如何來(lái)配置內(nèi)核。
    (1)系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置
    clkhdr INTTMOEQ0 ／／選定TimerM為時(shí)間片中斷源
    (2)堆棧設(shè)置
    RX850的堆棧分為系統(tǒng)堆棧和任務(wù)堆棧。
    POOL0功能：系統(tǒng)基本表信息、準(zhǔn)備隊(duì)列、每個(gè)管理塊、任務(wù)堆棧、中斷句柄堆棧(系統(tǒng)堆棧)、可變長(zhǎng)度內(nèi)存、不變長(zhǎng)度內(nèi)存。
    POOL1功能：任務(wù)堆棧、中斷句柄堆棧(系統(tǒng)堆棧)、可變長(zhǎng)度內(nèi)存、不變長(zhǎng)度內(nèi)存。
    POOL0和POOL1都可以作為任務(wù)堆棧，即使沒(méi)有POOL1也可以。配置如下：
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    (7)中斷設(shè)置
    RX850的中斷分為直接中斷和間接中斷兩種，直接中斷是不受RX850制約的中斷句柄，理論上接近硬件中斷的速度，其缺點(diǎn)是需要用戶自己寫中斷處理句柄，包括：寄存器壓棧；換向，跳轉(zhuǎn)到中斷句柄的開始；調(diào)用系統(tǒng)命令；返回到調(diào)度。間接中斷的中斷句柄在RX850的中斷預(yù)處理后才被啟動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了句柄處理過(guò)程，缺點(diǎn)是由于RX850的預(yù)處理降低了速度，其處理過(guò)程如圖1所示。

    間接中斷調(diào)度如圖2所示，配置如下：
 

    (8)固定／可變內(nèi)存池設(shè)置
    當(dāng)系統(tǒng)需要交換較大的數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)任務(wù)堆棧是不夠用的，需要開辟一段內(nèi)存來(lái)使用。RX850支持兩種方式的內(nèi)存配置：固定內(nèi)存池和可變內(nèi)存池。固定內(nèi)存池由用戶自定義內(nèi)存池的大小，可變內(nèi)存池根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地定義所需內(nèi)存大小，配置如下：
   
    （9）系統(tǒng)周期循環(huán)中斷設(shè)置
    系統(tǒng)周期循環(huán)中斷設(shè)置如下：
   
    以上完成了操作系統(tǒng)的配置，然后通過(guò)NEC的IDE即可生成操作系統(tǒng)的．s和．h文件，將此兩個(gè)文件包含在工程文件中即可。

3 RX850軟仿及結(jié)論
    通過(guò)以上配置，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊為對(duì)象，下面對(duì)RX850進(jìn)行軟仿。NEC電子提供專門的軟仿工具AZ，在IDE中打開AZ，運(yùn)行程序后可以看到如圖3，圖4所示的界面。[!--empirenews.page--]

    也可以通過(guò)RD850來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)各任務(wù)的狀態(tài)，如圖5所示。

    通過(guò)圖4，圖5可以很方便地看到每個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度情況和CPU內(nèi)核的使用效率。目前CPU的空閑率為94％，很多任務(wù)實(shí)際上沒(méi)有被調(diào)用，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況將更多的功能模塊放在API任務(wù)中來(lái)運(yùn)行。軟仿只能提供模擬的仿真，如果用戶需要更精確的trace工具，則需要用硬仿來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)
    對(duì)于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，RTOS是必不可少的，建立以上開發(fā)平臺(tái)，使得系統(tǒng)工程師可以專注于系統(tǒng)功能建模仿真，然后將功能函數(shù)與該平臺(tái)的API任務(wù)調(diào)度結(jié)合，即可完成片上測(cè)試。實(shí)踐證明，這種開發(fā)模式大大提高了整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度。