基于OSEK/VDX的嵌入式車用操作系統(tǒng)研究

摘要：為了提供一個開放、自主、實用的汽車電子軟件開發(fā)平臺，介紹了當前在國際汽車工業(yè)界日益占據主導地位的汽車電子開放式平臺系統(tǒng)(OSEK/VDX)規(guī)范；其中著重分析了關于操作系統(tǒng)內核的定義，并且在免費的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的基礎上，分析兩者技術特點之間的差異；通過修改μC/OS-Ⅱ內核的部分功能使之符合OSEK/VDX規(guī)范，并提出了車用實時操作系統(tǒng)的設計思想。
關鍵詞：OSEK/VDX；μC/OS-Ⅱ；嵌入式實時操作系統(tǒng)；內核

    引言

    隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，電子技術在汽車上的應用比重不斷增加。為了滿足日益復雜的汽車電子控制軟件的開發(fā)需要，實現應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年德國汽車工業(yè)界聯合推出了“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 corresponding interfaces for automotive electronics)。1994年法國汽車工業(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)、網絡管理規(guī)范(OSEKNM)和OSEK實現語言(OSEKOIL)。其中OSEKOS是針對汽車應用特點而專門制定的一個小型RTOS規(guī)范，著重以下幾個方面：①可移植性，所有API都是標準化的并且在功能上都有明確的定義；②可擴展性，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，另一方面又要能進行靈活的配置；③汽車應用的特定需求，諸如可靠性、實用性和代價敏感性等。相應的，OSEKOS 靜態(tài)配置可以通過OS2EKOIL語言實現，用戶在系統(tǒng)生成時靜態(tài)制定任務的個數、需要的資源和系統(tǒng)服務。OSEKCOM為通信網絡中的數據交換提供了標準的接口和協議。OSEKNM為監(jiān)視網絡的流量提供了一組標準的功能函數，以保證網絡的安全性和可靠性。

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

     OSEKOS結構特點及運行機制

     OSEKOS的結構特點
     (1)高實時性。由于在汽車控制領域，如果出現絲毫的差錯會導致危及生命安全的嚴重后果，因此要求具有高度的實時性。OSEKOS所有的系統(tǒng)對象由用戶在建立時靜態(tài)創(chuàng)建，避免了動態(tài)創(chuàng)建時的時間消耗，增強了其實時性。而且通過占先式的調度策略和警報機制也能滿足實時性需求；

     (2)標準化應用接口。其制定了標準的應用程序編程接口，這樣可以屏蔽底層硬件結構的不同而提供一個一致的開發(fā)環(huán)境。并且用戶只需修改OIL配置文件中與硬件相關的部分，可以方便地在不同的ECU上進行移植；

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

     OSEKOS運行機制分析

    任務管理
     OSEK規(guī)范將任務分為基本任務和擴展任務?；救蝿站哂?種狀態(tài)：運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和掛起狀態(tài)。擴展任務多了一個等待狀態(tài)。此外基本任務只在開始和結束時才有同步點，所以其需要的資源少，而擴展任務可以對應不同的時間，在運行中可能有多個同步點，所以對環(huán)境要求高。操作系統(tǒng)的任務之間的同步通過調度程序來實現。OSEK規(guī)范支持3種調度方式：①完全搶占式調度。該策略用于保存現場的內存開銷較大，理論上可以在任務的任何位置重調度，因此任務必須同步訪問共享資源，增加了系統(tǒng)的復雜性；②非搶占調度。此策略通過調用某些服務例程實現任務切換，即用戶設置重調度點。通過定義任務組，可以使多個任務同時具有搶占或非搶占調度的特征；③混合搶占調度。搶占任務和非搶占任務共存于一個系統(tǒng)時，使用“混合搶占”調度策略。在這種情況下，調度策略依賴于正在運行任務的搶占特性，開發(fā)者通過配置任務優(yōu)先級和搶占屬性來定義任務執(zhí)行順序。

    一致類
    為了更加靈活的配置操作系統(tǒng)調度，OSEK規(guī)范定義了4種一致類：BCC1、BCC2、ECC1和ECC2。其根據每個優(yōu)先級可能有的任務個數，需要的是基本任務還是擴展任務來進行劃分。若每個優(yōu)先級上只有一個任務，且是基本任務則定義一致類為BCC1，是擴展任務則定義為BCC2；若每個優(yōu)先級上可以有多個任務，且是基本任務則定義一致類為ECC1，是擴展任務則定義為ECC2。

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

    事件機制
    事件機制用于保證不同擴展任務之間的同步。該機制含義是，一個處于等待狀態(tài)的擴展進程，只有當它所等待的事件至少有一個發(fā)生，才能進入就緒態(tài)，并且事件的發(fā)生會以信號的方式傳給該進程。只有擴展任務，才具有事件。

    資源管理
    具有不同優(yōu)先級的多任務訪問共享資源需要使用資源管理機制進行協調。這些資源可以是一段臨界區(qū)代碼、調度程序、共享內存或是數據結構，也可以是共享硬件設備。系統(tǒng)在處理多個進程對共享資源的互斥訪問時，采用信號量對臨界區(qū)數據或資源加鎖，但是這樣可能會導致優(yōu)先級反轉。為了避免這種情況出現，OSEK采用了優(yōu)先級最高限度協議(PCP)，即當一個進程占用了一個資源后，該進程的優(yōu)先級會臨時升高為該資源優(yōu)先級。當該任務釋放了資源后，其優(yōu)先級回到要求訪問資源前的優(yōu)先級。使用該協議同時也解決了死鎖的問題。

    報警器
    報警器是OSEK為處理循環(huán)事件提供的服務機制，警報或者基于系統(tǒng)時鐘，或者基于其他的某種計數器。當計數器到達警報設置值時被觸發(fā)，此時可以激活進程也可以為某進程設置事件，或者執(zhí)行一個警報回調程序。

    消息處理
    任務之間是通過消息實現通信的，消息是應用數據的容器，只有一個發(fā)送者，但是可以有多個接受者。OSEK規(guī)范將消息分為可排隊和不可排隊的。前者是靜態(tài)長度消息，內部數據被組織成FIFO隊列，能被接受服務例程移走；不可排隊消息是不斷被刷新的消息，不能被服務例程移走。

    錯誤處理
     OSEKOS提供了系統(tǒng)專用的鉤子程序，以便在操作系統(tǒng)內部操作時執(zhí)行用戶定義的函數。鉤子程序可用于：系統(tǒng)啟動，相應鉤子程序在操作系統(tǒng)啟動后，進入調度程序之前執(zhí)行；系統(tǒng)關閉，相應鉤子程序在應用或操作系統(tǒng)(此時發(fā)生嚴重錯誤)請求系統(tǒng)停止運行時執(zhí)行；跟蹤、調試應用以及現場切換時調用用戶定義的擴展程序；錯誤處理。

    基于μC/OS-Ⅱ的OSEKOS設計

     OSEKOS設計理念
    根據OSEK規(guī)范和μC/OS-Ⅱ的內核要求，CC1和ECC1這2個符合級別都只允許一個優(yōu)先級有一個進程，因此可以將優(yōu)先級從0到N-1分配給N個進程，使每個進程分配到的優(yōu)先級不同，N是系統(tǒng)中的進程數量，這樣可以使修改后的μC/OS-Ⅱ內核滿足ECC1類模式。由于BCC2和ECC2這2個符合級別可以允許每個優(yōu)先級有多個進程，因此要使用復雜的調度策略來追蹤各個進程。
    設計的OSEKOS可以采用μC/OS-Ⅱ的調度結構——就緒表，使用簡單的占先式的調度策略，將每個進程的就緒態(tài)標志都放入就緒表中，然后從其中找到優(yōu)先級最高的就緒態(tài)進程執(zhí)行，實現一個基于優(yōu)先級的可剝奪型的實時內核。這樣不僅可以提高系統(tǒng)的實時性，而且可以降低操作系統(tǒng)的CPU負荷。對于BCC2和 ECC2這2個符合級別而言，可以在基于優(yōu)先級的占先式調度策略基礎上添加時間片輪換調度算法來處理優(yōu)先級相同的2個任務之間的調度；也可以為每個優(yōu)先級增加一個FIFO隊列，先以任務優(yōu)先級為檢索，然后選擇該進程隊列中位于對首的進程運行。但是這樣會犧牲一定的實時性，并且加大CPU的負荷，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的內核結構將其分為3部分：硬件無關部分、硬件相關部分和應用相關部分。這樣可以使其在不同的硬件之間移植時更加的方便，將與應用相關部分放入配置文件內，便于用戶使用。

    μC/OS-Ⅱ在處理多個進程對共享資源的互斥訪問時，主要是采用開關中斷與信號量來對臨界區(qū)數據或資源加鎖，使用互斥型信號量管理來避免優(yōu)先級反轉，通過允許用戶在申請信號量時定義等待超時化解死鎖問題。OSEKOS是通過采用優(yōu)先級最高限度協議(PCP)來避免優(yōu)先級反轉和死鎖問題?？梢酝ㄟ^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，使設計的OS2EKOS執(zhí)行PCP協議，達到兼容OSEK規(guī)范的目的。

    根據OSEK規(guī)定的2類中斷，針對具體的處理器平臺，實現中斷管理的標準API，并且根據μC/OS-Ⅱ提供非OSEK標準的API：開/關中斷。由于是基于ECC1類模式來實現OSEKOS，所以支持OSEK規(guī)范定義的事件機制，可用于實現任務之間的同步協調。根據μC/OS-Ⅱ，可以支持的事件種類有信號量、互斥型信號量、郵箱和消息隊列。由μC/OS-Ⅱ提供的時間管理和定時中斷功能，實現OSEKOS中要求的警報器管理，以進一步提高操作系統(tǒng)的實時性和安全性。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，用于實現用戶自己定義的函數。

     OSEKOS基本結構的組成
    由于OSEKOS中的標準應用程序接口(API)定義在操作系統(tǒng)的核心空間，根據以上設計理念可以將操作系統(tǒng)按功能分為進程管理和調度、資源管理、警報與計數器管理、事件管理和中斷管理，其結構組成如圖1所示。其中進程管理與調度是整個操作系統(tǒng)的核心，其他的管理機制為它提供不同的服務支持。

    圖1　OSEKOS結構組成圖

    每個進程都通過一個進程控制塊(TCB)來管理，在進程管理模塊中，實現OSEK標準API：激活進程、終止進程、連接進程、調度、捕獲當前運行進程ID 和獲得進程狀態(tài)。資源管理模塊實現OSEK標準API：獲得資源、釋放資源。計數器管理沒有標準API，警報管理結構由警報和警報行為組成。其標準 API：獲得警報信息、獲得警報到期所需時間、設置相對警報、設置絕對警報和消除警報。事件管理模塊實現的OSEK標準API：等待事件、設置事件、消除事件和獲得進程的時間狀態(tài)。實現中斷管理的標準API：開/關所有中斷和開/關第二類中斷。

    結束語

    根據OSEKOS規(guī)范和μC/OS-Ⅱ內核實現的不同技術特點，提出OSEKOS的一些設計思想，并且設計出OSEKOS的基本結構組成。 OSEK/VDX體系的建立給國際汽車工業(yè)帶來深遠的影響，采用基于OSEK/VDX規(guī)范的RTOS進行開發(fā)能節(jié)省開發(fā)時間，降低成本，提高軟件質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。