基于OSEK標準的嵌入式實時操作系統(tǒng)在汽車電子中的應用

引言
    隨著國內汽車電子產業(yè)的不斷升級和研發(fā)投入的不斷加大，國內生產的汽車電子，如簡單的ECU已經越來越普及，應用于車載音響、儀表、車身控制BCM、動力轉向EPS等。越來越多的企業(yè)將精力投入到比較復雜的控制領域，比如發(fā)動機控制，防抱死系統(tǒng)(ABS)等，對于這些邏輯復雜、實時性和安全性高的控制任務，傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)模式非實時處理的弊端就越來越呈現(xiàn)出來，這就勢必需要用到實時操作系統(tǒng)來管理這些任務。
    OSEK標準是1993年德國汽車工業(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。當前OSEK標準已經成為汽車電子軟件開發(fā)領域中的通用標準，旨在增強軟件代碼安全性、移植性，減少軟件開發(fā)周期。
    目前，市場上通用的開源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域或者安全性要求不太高的領域，如果將這些移植到汽車電子動力安全控制領域，是不太合適的；而且，這些核本身不是基于OSEK標準，如果引入OSEK標準，無疑加大了內核移植的難度。NEC電子的實時操作系統(tǒng)RX850是一款基于OSEK標準的汽車級專用RTOS，其內核的實時性已經得到第三方的專業(yè)測試。它已經被移植到了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)中編寫腳本文件來配置RTOS即可通過編譯，使得客戶從底層驅動編寫到RTOS任務調度輕松實現(xiàn)“無縫結合”，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，并介紹了如何實現(xiàn)RX850操作系統(tǒng)的配置，以發(fā)動機控制模塊為控制模型來實現(xiàn)多任務的實時調度，最后通過軟仿工具來分析該內核的效率和任務調度的實時性。

1 系統(tǒng)平臺介紹
    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級流水線控制，內部32個32位寄存器，乘法／除法指令，數(shù)據空間支持最大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標準的RX850實時操作系統(tǒng)符合以下標準：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(xiàn)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。
    相應地，OSEKOS靜態(tài)配置可以通過OS2EKOIL語言實現(xiàn)，用戶在系統(tǒng)生成時靜態(tài)制定任務的個數(shù)、需要的資源和系統(tǒng)服務。OSEKCOM為通信網絡中的數(shù)據交換提供了標準的接口和協(xié)議。OSEKNM為監(jiān)視網絡的流量提供了一組標準的功能函數(shù)，以保證網絡的安全性和可靠性。

2 RX850內核配置
    由于RX850已經被嵌入到IDE，因此用戶直接編寫內核腳本文件即可，下面介紹如何來配置內核。
    (1)系統(tǒng)時鐘設置
    clkhdr INTTMOEQ0 ／／選定TimerM為時間片中斷源
    (2)堆棧設置
    RX850的堆棧分為系統(tǒng)堆棧和任務堆棧。
    POOL0功能：系統(tǒng)基本表信息、準備隊列、每個管理塊、任務堆棧、中斷句柄堆棧(系統(tǒng)堆棧)、可變長度內存、不變長度內存。
    POOL1功能：任務堆棧、中斷句柄堆棧(系統(tǒng)堆棧)、可變長度內存、不變長度內存。
    POOL0和POOL1都可以作為任務堆棧，即使沒有POOL1也可以。配置如下：
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    (7)中斷設置
    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，跳轉到中斷句柄的開始；調用系統(tǒng)命令；返回到調度。間接中斷的中斷句柄在RX850的中斷預處理后才被啟動，優(yōu)點是簡化了句柄處理過程，缺點是由于RX850的預處理降低了速度，其處理過程如圖1所示。

    間接中斷調度如圖2所示，配置如下：
 

    (8)固定／可變內存池設置
    當系統(tǒng)需要交換較大的數(shù)據時，此時任務堆棧是不夠用的，需要開辟一段內存來使用。RX850支持兩種方式的內存配置：固定內存池和可變內存池。固定內存池由用戶自定義內存池的大小，可變內存池根據實際應用系統(tǒng)動態(tài)地定義所需內存大小，配置如下：
   
    （9）系統(tǒng)周期循環(huán)中斷設置
    系統(tǒng)周期循環(huán)中斷設置如下：
   
    以上完成了操作系統(tǒng)的配置，然后通過NEC的IDE即可生成操作系統(tǒng)的．s和．h文件，將此兩個文件包含在工程文件中即可。

3 RX850軟仿及結論
    通過以上配置，選擇發(fā)動機控制模塊為對象，下面對RX850進行軟仿。NEC電子提供專門的軟仿工具AZ，在IDE中打開AZ，運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RD850來實時檢測各任務的狀態(tài)，如圖5所示。

    通過圖4，圖5可以很方便地看到每個任務的實時調度情況和CPU內核的使用效率。目前CPU的空閑率為94％，很多任務實際上沒有被調用，用戶可以根據實際情況將更多的功能模塊放在API任務中來運行。軟仿只能提供模擬的仿真，如果用戶需要更精確的trace工具，則需要用硬仿來實現(xiàn)。

4 結語
    對于比較復雜的控制系統(tǒng)，RTOS是必不可少的，建立以上開發(fā)平臺，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)與該平臺的API任務調度結合，即可完成片上測試。實踐證明，這種開發(fā)模式大大提高了整個項目的進度。