汽車(chē)電子中操作系統(tǒng)的使用論文

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論文關(guān)鍵詞：OSEK嵌入式實(shí)時(shí)操作體統(tǒng)RX850汽車(chē)電子

論文摘要：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是復(fù)雜控制系統(tǒng)中必不可少的一部分，它能按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，通過(guò)信號(hào)量、事件標(biāo)志來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的同步，消息隊(duì)列和郵箱機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的通訊，中斷機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件的管理。較傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)，它具有更高的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性。介紹了當(dāng)前在國(guó)際汽車(chē)工業(yè)界日益占據(jù)主導(dǎo)地位的汽車(chē)電子開(kāi)放式平臺(tái)系統(tǒng)(OSEK/VDX)規(guī)范。介紹了NEC汽車(chē)電子專(zhuān)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RX850,列舉了其他RTOS并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，建立了基于RX850的RTOS軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊任務(wù)的調(diào)度，并對(duì)RTOS的多任務(wù)進(jìn)行了軟仿，這對(duì)于復(fù)雜軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是非常有實(shí)際意義的。

引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)和研發(fā)投入不斷加大，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的汽車(chē)電子簡(jiǎn)單的ECU已經(jīng)越來(lái)越普及，例如車(chē)載音響，儀表，車(chē)身控制BCM，動(dòng)力轉(zhuǎn)向EPS等等。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)處理的弊端越來(lái)越呈現(xiàn)，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(chē)工業(yè)界聯(lián)合推出了“汽車(chē)電子的開(kāi)放式系統(tǒng)及接口軟件規(guī)范”，即OSEK(opensystemandthecorrespondinginterfacesforautomotiveelectronics)。1994年法國(guó)汽車(chē)工業(yè)界的相似規(guī)范VDX(vehicledistributedexecutive)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(chē)電子軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)周期。

目前，市場(chǎng)上通用的開(kāi)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(chē)電子動(dòng)力安全控制領(lǐng)域，是不太合時(shí)宜的；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(chē)級(jí)專(zhuān)用RTOS，其內(nèi)核的實(shí)時(shí)性已經(jīng)得到第三方的專(zhuān)業(yè)測(cè)試。它已經(jīng)被移植到了NEC芯片的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境PMPlus和GreenHills，客戶只需要在IDE(IntegratedDevelopEnvironment)中編寫(xiě)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(xiě)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(kāi)發(fā)周期。本文建立了基于NEC電子32位車(chē)身專(zhuān)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。

一、系統(tǒng)平臺(tái)介紹

本系統(tǒng)采用NEC電子的32位車(chē)身專(zhuān)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4GB線性尋址能力，代碼空間支持64M線性尋址能力，內(nèi)部1MB的codeflash,60KB的RAM空間，32KB的dataflash用作EEPROM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(chē)應(yīng)用特點(diǎn)而專(zhuān)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(lèi)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(chē)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。

二、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(xiě)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

clkhdrINTTM0EQ0//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：

intstk0x400:pool0//系統(tǒng)堆棧大小為0x400

tskTSK1_TSK10x050:pool10x06TTS_DMT0x00ei//TSK_ID_1ms任務(wù)堆棧大小0x50

3．允許最大優(yōu)先級(jí)任務(wù)數(shù)

maxpri0x1f//允許最大優(yōu)先級(jí)任務(wù)數(shù)為0x1f

4.信號(hào)量設(shè)置

semSem_Task10x00//設(shè)置了信號(hào)量Sem_Task1為0

semSem_Task20x00//設(shè)置了信號(hào)量Sem_Task2為0

5．事件標(biāo)志設(shè)置

flgflg_Task1//設(shè)置了事件標(biāo)志flg_Task1

flgflg_Task2//設(shè)置了事件標(biāo)志flg_Task2

5．郵箱設(shè)置

mbxID_Task1TA_MPRI//設(shè)置Task1的郵箱

mbxID_Task2TA_MPRI//設(shè)置Task2的郵箱

6．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(xiě)中斷處理句柄，包括：(1).寄存器壓棧；(2).換向，跳轉(zhuǎn)到中斷句柄的開(kāi)始；(3).調(diào)用系統(tǒng)命令；(4).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)程如下：

間接中斷配置如下：

inthdrINTAD_AD_Interrupt//AD間接中斷句柄配置

inthdrINTC1REC_CAN_Ch1RxInt//CAN間接中斷句柄配置

7．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(kāi)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)的定義所需內(nèi)存大小，配置如下：

mpfMPF_ID_MBX0x08:pool150

//固定內(nèi)存以0x08字節(jié)為單位排列，大小為50*0x08;

mplMPL_ID_Task10x08:pool1

//可變內(nèi)存0x08字節(jié)為單位排列

8．系統(tǒng)周期循環(huán)中斷設(shè)置

cycCYC_INT_TIMER_CYC_IntTimerTCY_OFF10

//系統(tǒng)周期循環(huán)中斷時(shí)間為10個(gè)時(shí)間片

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。超級(jí)秘書(shū)網(wǎng)

三、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(zhuān)門(mén)的軟仿工具AZ，在IDE中打開(kāi)AZ。

通過(guò)上圖可以很方便的看到每個(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)。

四、結(jié)束語(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(kāi)發(fā)平臺(tái)，使得系統(tǒng)工程師可以專(zhuān)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(kāi)發(fā)模式大大提高了整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度。