基于OSEK/VDX的嵌入式車用操作系統(tǒng)研究

摘要：為了提供一個(gè)開(kāi)放、自主、實(shí)用的汽車電子軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，介紹了當(dāng)前在國(guó)際汽車工業(yè)界日益占據(jù)主導(dǎo)地位的汽車電子開(kāi)放式平臺(tái)系統(tǒng)(OSEK/VDX)規(guī)范；其中著重分析了關(guān)于操作系統(tǒng)內(nèi)核的定義，并且在免費(fèi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上，分析兩者技術(shù)特點(diǎn)之間的差異；通過(guò)修改μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的部分功能使之符合OSEK/VDX規(guī)范，并提出了車用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。
關(guān)鍵詞：OSEK/VDX；μC/OS-Ⅱ；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；內(nèi)核

引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用比重不斷增加。為了滿足日益復(fù)雜的汽車電子控制軟件的開(kāi)發(fā)需要，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的可移植性和不同廠商的控制模塊間的可兼容性，1993年德國(guó)汽車工業(yè)界聯(lián)合推出了“汽車電子的開(kāi)放式系統(tǒng)及接口軟件規(guī)范”，即OSEK(open system and the corresponding 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。

此規(guī)范主要由4部分組成：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(mén)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)的，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。

μC/OS-Ⅱ是一個(gè)著名的源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，專門(mén)為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的。它的主要性能特點(diǎn)如下：①源代碼公開(kāi)。這樣很容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個(gè)不同的硬件平臺(tái)上；②可移植性。μC/OS-Ⅱ絕大部分源代碼是用C語(yǔ)言寫(xiě)的，而與微處理器硬件相關(guān)的那部分是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的，使得μC/OS-Ⅱ便于移植到其他的微處理器上；③可固化。只要開(kāi)發(fā)者有固化手段，μC/OS-Ⅱ可以嵌入到開(kāi)發(fā)者的系統(tǒng)中；④可裁剪性(Scalable)。開(kāi)發(fā)者可以有選擇的使用μC/OS-Ⅱ中應(yīng)用程序需要的那些系統(tǒng)服務(wù)，可以減少μC/OS-Ⅱ所需的存儲(chǔ)空間；⑤占先(Preemp2tive)。μC/OS-Ⅱ完全是占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核；⑥多任務(wù)(Multi-Tasking)。μC/OS-Ⅱ可以管理64個(gè)任務(wù)，但是目前應(yīng)用程序最多有56個(gè)任務(wù)；⑦可確定性 (Affirmable)。μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少；⑧實(shí)用性和可靠性。許多的行業(yè)都有成功應(yīng)用該實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)例，這些應(yīng)用的實(shí)踐是該內(nèi)核實(shí)用性和可靠性的最好證據(jù)。

OSEKOS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行機(jī)制

OSEKOS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)高實(shí)時(shí)性。由于在汽車控制領(lǐng)域，如果出現(xiàn)絲毫的差錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致危及生命安全的嚴(yán)重后果，因此要求具有高度的實(shí)時(shí)性。OSEKOS所有的系統(tǒng)對(duì)象由用戶在建立時(shí)靜態(tài)創(chuàng)建，避免了動(dòng)態(tài)創(chuàng)建時(shí)的時(shí)間消耗，增強(qiáng)了其實(shí)時(shí)性。而且通過(guò)占先式的調(diào)度策略和警報(bào)機(jī)制也能滿足實(shí)時(shí)性需求；

(2)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用接口。其制定了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序編程接口，這樣可以屏蔽底層硬件結(jié)構(gòu)的不同而提供一個(gè)一致的開(kāi)發(fā)環(huán)境。并且用戶只需修改OIL配置文件中與硬件相關(guān)的部分，可以方便地在不同的ECU上進(jìn)行移植；

(3)可裁剪性。其具有高度模塊化和可靈活配置的特性，用OIL語(yǔ)言進(jìn)行裁剪，可以在很少的硬件資源環(huán)境下運(yùn)行。

OSEKOS運(yùn)行機(jī)制分析

任務(wù)管理
OSEK規(guī)范將任務(wù)分為基本任務(wù)和擴(kuò)展任務(wù)?；救蝿?wù)具有3種狀態(tài)：運(yùn)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和掛起狀態(tài)。擴(kuò)展任務(wù)多了一個(gè)等待狀態(tài)。此外基本任務(wù)只在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)才有同步點(diǎn)，所以其需要的資源少，而擴(kuò)展任務(wù)可以對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間，在運(yùn)行中可能有多個(gè)同步點(diǎn)，所以對(duì)環(huán)境要求高。操作系統(tǒng)的任務(wù)之間的同步通過(guò)調(diào)度程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。OSEK規(guī)范支持3種調(diào)度方式：①完全搶占式調(diào)度。該策略用于保存現(xiàn)場(chǎng)的內(nèi)存開(kāi)銷較大，理論上可以在任務(wù)的任何位置重調(diào)度，因此任務(wù)必須同步訪問(wèn)共享資源，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；②非搶占調(diào)度。此策略通過(guò)調(diào)用某些服務(wù)例程實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，即用戶設(shè)置重調(diào)度點(diǎn)。通過(guò)定義任務(wù)組，可以使多個(gè)任務(wù)同時(shí)具有搶占或非搶占調(diào)度的特征；③混合搶占調(diào)度。搶占任務(wù)和非搶占任務(wù)共存于一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，使用“混合搶占”調(diào)度策略。在這種情況下，調(diào)度策略依賴于正在運(yùn)行任務(wù)的搶占特性，開(kāi)發(fā)者通過(guò)配置任務(wù)優(yōu)先級(jí)和搶占屬性來(lái)定義任務(wù)執(zhí)行順序。

一致類
為了更加靈活的配置操作系統(tǒng)調(diào)度，OSEK規(guī)范定義了4種一致類：BCC1、BCC2、ECC1和ECC2。其根據(jù)每個(gè)優(yōu)先級(jí)可能有的任務(wù)個(gè)數(shù)，需要的是基本任務(wù)還是擴(kuò)展任務(wù)來(lái)進(jìn)行劃分。若每個(gè)優(yōu)先級(jí)上只有一個(gè)任務(wù)，且是基本任務(wù)則定義一致類為BCC1，是擴(kuò)展任務(wù)則定義為BCC2；若每個(gè)優(yōu)先級(jí)上可以有多個(gè)任務(wù)，且是基本任務(wù)則定義一致類為ECC1，是擴(kuò)展任務(wù)則定義為ECC2。

中斷處理
OSEK規(guī)范定義了2種中斷服務(wù)程序：①ISR1。此類中斷程序不使用操作系統(tǒng)的資源，中斷結(jié)束后，處理程序從產(chǎn)生中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行。其對(duì)任務(wù)的管理沒(méi)有影響，不要求調(diào)用操作系統(tǒng)的API。②ISR2。此類中斷程序是系統(tǒng)生成時(shí)，通過(guò)用戶子程序配置而成，它可以調(diào)用操作系統(tǒng)的API。中斷的優(yōu)先級(jí)高于任務(wù)，因此可以搶占任何任務(wù)。

事件機(jī)制
事件機(jī)制用于保證不同擴(kuò)展任務(wù)之間的同步。該機(jī)制含義是，一個(gè)處于等待狀態(tài)的擴(kuò)展進(jìn)程，只有當(dāng)它所等待的事件至少有一個(gè)發(fā)生，才能進(jìn)入就緒態(tài)，并且事件的發(fā)生會(huì)以信號(hào)的方式傳給該進(jìn)程。只有擴(kuò)展任務(wù)，才具有事件。

資源管理
具有不同優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)訪問(wèn)共享資源需要使用資源管理機(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)。這些資源可以是一段臨界區(qū)代碼、調(diào)度程序、共享內(nèi)存或是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可以是共享硬件設(shè)備。系統(tǒng)在處理多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn)時(shí)，采用信號(hào)量對(duì)臨界區(qū)數(shù)據(jù)或資源加鎖，但是這樣可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。為了避免這種情況出現(xiàn)，OSEK采用了優(yōu)先級(jí)最高限度協(xié)議(PCP)，即當(dāng)一個(gè)進(jìn)程占用了一個(gè)資源后，該進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)會(huì)臨時(shí)升高為該資源優(yōu)先級(jí)。當(dāng)該任務(wù)釋放了資源后，其優(yōu)先級(jí)回到要求訪問(wèn)資源前的優(yōu)先級(jí)。使用該協(xié)議同時(shí)也解決了死鎖的問(wèn)題。

報(bào)警器
報(bào)警器是OSEK為處理循環(huán)事件提供的服務(wù)機(jī)制，警報(bào)或者基于系統(tǒng)時(shí)鐘，或者基于其他的某種計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)警報(bào)設(shè)置值時(shí)被觸發(fā)，此時(shí)可以激活進(jìn)程也可以為某進(jìn)程設(shè)置事件，或者執(zhí)行一個(gè)警報(bào)回調(diào)程序。

消息處理
任務(wù)之間是通過(guò)消息實(shí)現(xiàn)通信的，消息是應(yīng)用數(shù)據(jù)的容器，只有一個(gè)發(fā)送者，但是可以有多個(gè)接受者。OSEK規(guī)范將消息分為可排隊(duì)和不可排隊(duì)的。前者是靜態(tài)長(zhǎng)度消息，內(nèi)部數(shù)據(jù)被組織成FIFO隊(duì)列，能被接受服務(wù)例程移走；不可排隊(duì)消息是不斷被刷新的消息，不能被服務(wù)例程移走。

錯(cuò)誤處理
OSEKOS提供了系統(tǒng)專用的鉤子程序，以便在操作系統(tǒng)內(nèi)部操作時(shí)執(zhí)行用戶定義的函數(shù)。鉤子程序可用于：系統(tǒng)啟動(dòng)，相應(yīng)鉤子程序在操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)入調(diào)度程序之前執(zhí)行；系統(tǒng)關(guān)閉，相應(yīng)鉤子程序在應(yīng)用或操作系統(tǒng)(此時(shí)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤)請(qǐng)求系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)執(zhí)行；跟蹤、調(diào)試應(yīng)用以及現(xiàn)場(chǎng)切換時(shí)調(diào)用用戶定義的擴(kuò)展程序；錯(cuò)誤處理。

基于μC/OS-Ⅱ的OSEKOS設(shè)計(jì)

OSEKOS設(shè)計(jì)理念
根據(jù)OSEK規(guī)范和μC/OS-Ⅱ的內(nèi)核要求，CC1和ECC1這2個(gè)符合級(jí)別都只允許一個(gè)優(yōu)先級(jí)有一個(gè)進(jìn)程，因此可以將優(yōu)先級(jí)從0到N-1分配給N個(gè)進(jìn)程，使每個(gè)進(jìn)程分配到的優(yōu)先級(jí)不同，N是系統(tǒng)中的進(jìn)程數(shù)量，這樣可以使修改后的μC/OS-Ⅱ內(nèi)核滿足ECC1類模式。由于BCC2和ECC2這2個(gè)符合級(jí)別可以允許每個(gè)優(yōu)先級(jí)有多個(gè)進(jìn)程，因此要使用復(fù)雜的調(diào)度策略來(lái)追蹤各個(gè)進(jìn)程。
設(shè)計(jì)的OSEKOS可以采用μC/OS-Ⅱ的調(diào)度結(jié)構(gòu)――就緒表，使用簡(jiǎn)單的占先式的調(diào)度策略，將每個(gè)進(jìn)程的就緒態(tài)標(biāo)志都放入就緒表中，然后從其中找到優(yōu)先級(jí)最高的就緒態(tài)進(jìn)程執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核。這樣不僅可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，而且可以降低操作系統(tǒng)的CPU負(fù)荷。對(duì)于BCC2和 ECC2這2個(gè)符合級(jí)別而言，可以在基于優(yōu)先級(jí)的占先式調(diào)度策略基礎(chǔ)上添加時(shí)間片輪換調(diào)度算法來(lái)處理優(yōu)先級(jí)相同的2個(gè)任務(wù)之間的調(diào)度；也可以為每個(gè)優(yōu)先級(jí)增加一個(gè)FIFO隊(duì)列，先以任務(wù)優(yōu)先級(jí)為檢索，然后選擇該進(jìn)程隊(duì)列中位于對(duì)首的進(jìn)程運(yùn)行。但是這樣會(huì)犧牲一定的實(shí)時(shí)性，并且加大CPU的負(fù)荷，占用更多的 RAM。

為了提高OSEKOS的可移植性和利于OSEKOS的配置，按照μC/OS-Ⅱ的內(nèi)核結(jié)構(gòu)將其分為3部分：硬件無(wú)關(guān)部分、硬件相關(guān)部分和應(yīng)用相關(guān)部分。這樣可以使其在不同的硬件之間移植時(shí)更加的方便，將與應(yīng)用相關(guān)部分放入配置文件內(nèi)，便于用戶使用。

μC/OS-Ⅱ在處理多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn)時(shí)，主要是采用開(kāi)關(guān)中斷與信號(hào)量來(lái)對(duì)臨界區(qū)數(shù)據(jù)或資源加鎖，使用互斥型信號(hào)量管理來(lái)避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，通過(guò)允許用戶在申請(qǐng)信號(hào)量時(shí)定義等待超時(shí)化解死鎖問(wèn)題。OSEKOS是通過(guò)采用優(yōu)先級(jí)最高限度協(xié)議(PCP)來(lái)避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)和死鎖問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)在系統(tǒng)生成期間，靜態(tài)分配每一資源的最高限度優(yōu)先級(jí)，使設(shè)計(jì)的OS2EKOS執(zhí)行PCP協(xié)議，達(dá)到兼容OSEK規(guī)范的目的。

根據(jù)OSEK規(guī)定的2類中斷，針對(duì)具體的處理器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)中斷管理的標(biāo)準(zhǔn)API，并且根據(jù)μC/OS-Ⅱ提供非OSEK標(biāo)準(zhǔn)的API：開(kāi)/關(guān)中斷。由于是基于ECC1類模式來(lái)實(shí)現(xiàn)OSEKOS，所以支持OSEK規(guī)范定義的事件機(jī)制，可用于實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的同步協(xié)調(diào)。根據(jù)μC/OS-Ⅱ，可以支持的事件種類有信號(hào)量、互斥型信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列。由μC/OS-Ⅱ提供的時(shí)間管理和定時(shí)中斷功能，實(shí)現(xiàn)OSEKOS中要求的警報(bào)器管理，以進(jìn)一步提高操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和安全性。在μC/OS-Ⅱ中，定義了一系列與OSEKOS規(guī)范要求類似的鉤子程序，用于實(shí)現(xiàn)用戶自己定義的函數(shù)。

OSEKOS基本結(jié)構(gòu)的組成
由于OSEKOS中的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口(API)定義在操作系統(tǒng)的核心空間，根據(jù)以上設(shè)計(jì)理念可以將操作系統(tǒng)按功能分為進(jìn)程管理和調(diào)度、資源管理、警報(bào)與計(jì)數(shù)器管理、事件管理和中斷管理，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中進(jìn)程管理與調(diào)度是整個(gè)操作系統(tǒng)的核心，其他的管理機(jī)制為它提供不同的服務(wù)支持。

圖1　OSEKOS結(jié)構(gòu)組成圖

每個(gè)進(jìn)程都通過(guò)一個(gè)進(jìn)程控制塊(TCB)來(lái)管理，在進(jìn)程管理模塊中，實(shí)現(xiàn)OSEK標(biāo)準(zhǔn)API：激活進(jìn)程、終止進(jìn)程、連接進(jìn)程、調(diào)度、捕獲當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程ID 和獲得進(jìn)程狀態(tài)。資源管理模塊實(shí)現(xiàn)OSEK標(biāo)準(zhǔn)API：獲得資源、釋放資源。計(jì)數(shù)器管理沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)API，警報(bào)管理結(jié)構(gòu)由警報(bào)和警報(bào)行為組成。其標(biāo)準(zhǔn) API：獲得警報(bào)信息、獲得警報(bào)到期所需時(shí)間、設(shè)置相對(duì)警報(bào)、設(shè)置絕對(duì)警報(bào)和消除警報(bào)。事件管理模塊實(shí)現(xiàn)的OSEK標(biāo)準(zhǔn)API：等待事件、設(shè)置事件、消除事件和獲得進(jìn)程的時(shí)間狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)中斷管理的標(biāo)準(zhǔn)API：開(kāi)/關(guān)所有中斷和開(kāi)/關(guān)第二類中斷。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)OSEKOS規(guī)范和μC/OS-Ⅱ內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的不同技術(shù)特點(diǎn)，提出OSEKOS的一些設(shè)計(jì)思想，并且設(shè)計(jì)出OSEKOS的基本結(jié)構(gòu)組成。 OSEK/VDX體系的建立給國(guó)際汽車工業(yè)帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響，采用基于OSEK/VDX規(guī)范的RTOS進(jìn)行開(kāi)發(fā)能節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低成本，提高軟件質(zhì)量和模塊的可移植性，而且需要的資源少。因此，研究基于OSEK/VDX規(guī)范的操作系統(tǒng)具有重要的意義。