基于OSEK标准的嵌入式实时操作系统在汽车电子中的应用.docx

论文关键词：OSEK 嵌入式 实时操作体统 RX850　汽车电子
　　论文摘要： 实时操作系统(RTOS)是复杂控制系统中必不可少的一部分，它能按照任务的优先级实现多任务调度，通过信号量、事件标志来实现任务的同步，消息队列和邮箱机制来实现任务之间的通讯，中断机制来实现突发事件的管理。较传统的前后台系统，它具有更高的实时性、稳定性。介绍了当前在国际汽车工业界日益占据主导地位的汽车电子开放式平台系统(OSEK/VDX)规范。介绍了NEC汽车电子专用实时操作系统RX850, 列举了其他RTOS并分析了其优缺点，建立了基于RX850的RTOS软件开发平台，实现了汽车发动机控制模块任务的调度，并对RTOS的多任务进行了软仿，这对于复杂软件系统开发是非常有实际意义的。
　　引 言
　　随着国内汽车电子产业的不断升级和研发投入不断加大，国内生产的汽车电子简单的ECU已经越来越普及，例如车载音响，仪表，车身控制BCM，动力转向EPS等等。越来越多的企业将精力投入到比较复杂的控制领域，比如发动机控制，防抱死系统(ABS)等，对于这些逻辑复杂、实时性和安全性高的控制任务，传统的前后台系统模式非实时处理的弊端越来越呈现，这就势必需要用到实时操作系统来管理这些任务。
　　OSEK标准是1993年德国汽车工业界联合推出了“汽车电子的开放式系统及接口软件规范”，即OSEK(open system and the corresponding interfaces for automotive electronics)。1994年法国汽车工业界的相似规范VDX(vehicle distributed executive)和OSEK规范合并，从而形成OSEK/VDX规范体系。当前OSEK标准已经成为汽车电子软件开发领域中的通用标准，旨在增强软件代码安全性、移植性，减少软件开发周期。
　　目前，市场上通用的开源RTOS有很多，比如μC/OS-Ⅱ，FreeRTOS，Linux-2.6等，但是这些核多半是用于通用领域或者安全性要求不太高的领域，如果将这些移植到汽车电子动力安全控制领域，是不太合时宜的；而且，这些核本身不是基于OSEK标准，如果引入OSEK标准，无疑加大了内核移植的难度。NEC电子的实时操作系统RX850是一款基于OSEK标准的汽车级专用RTOS，其内核的实时性已经得到第三方的专业测试。它已经被移植到了NEC芯片的集成开发环境PM Plus和Green Hills，客户只需要在IDE(Integrated Develop Environment)中编写脚本文件来配置RTOS即可通过编译，使得客户从底层驱动编写到RTOS任务调度轻松实现“无缝结合”，大大缩短了RTOS移植的开发周期。本文建立了基于NEC电子32位车身专用芯片V850/Fx3的软件平台，并介绍了如何实现RX850操作系统的配置，以发动机控制模块为控制模型来实现多任务的实时调度，最后通过软仿工具来分析该内核的效率和任务调度的实时性。
　　1 系统平台介绍
　　本系统采用NEC电子的32位车身专用芯片V850/Fx3系列，V850是NEC电子的32位微处理器核，5级流水线控制，内部32个32位寄存器，乘法/除法指令，数据空间支持最大4GB线性寻址能力，代码空间支持64M线性寻址能力，内部1MB的code flash,60KB的RAM空间，32KB的data flash用作EEPROM模拟。
　　基于OSEK标准的RX850实时操作系统符合以下标准：操作系统规范(OSEKOS)、通信规范(OSEKCOM)、网络管理规范(OSEKNM)和OSEK实现语言(OSEKOIL)。其中OSEKOS是针对汽车应用特点而专门制定的一个小型RTOS规范，着重以下几个方面：(1)可移植性，所有API都是标准化的并且在功能上都有明确的定义；(2)可扩展性，OSEKOS旨在通用于任何类型的 ECU，因此一方面系统要高度的模块化，另一方面又要能进行灵活的配置；(3)汽车应用的特定需求，诸如可靠性、实用性和代价敏感性等。相应的，OSEKOS 静态配置可以通过OS2EKOIL语言实现，用户在系统生成时静态制定任务的个数、需要的资源和系统服务。OSEKCOM为通信网络中的数据交换提供了标准的接口和协议。OSEKNM为监视网络的流量提供了一组标准的功能函数，以保证网络的安全性和可靠性。
2 RX850内核配置
　　由于RX850已经被嵌入到IDE，因此用户直接编写内核脚本文件即可，下面介绍如何来配置内核。
　　1．系统时钟设置
　　clkhdr INTTM0EQ0 //选定TimerM为时间片中断源
　　2．堆栈设置
　　RX850的堆栈分为系统堆栈和任务堆栈，
　　POOL0功能: 系统基本表信息、准备队列、每个管理块、任务堆栈、中断句柄堆栈（系统堆栈）、可变长度内存、不变长度内存。
　　POOL1功能: 任务堆栈、中断句柄堆栈（系统堆栈）、可变长度内存、不变长度内存。
　　POOL0和POOL1都可以作为任务堆栈，即使没有POOL1也可以。配置如下：
　　intstk 0x400: pool0 //系统堆栈大小为0x400
　　tsk TSK1 _TSK1 0x050 : pool1 0x06 TTS_DMT 0x00 ei // TSK_ID_1ms任务堆栈大小0x50
　　3．允许最大优先级任务数
　　maxpri 0x1f //允许最大优先级任务数为0x1f
　　4. 信号量设置
　　sem Sem_Task1 0x00 //设置了信号量Sem_Task1为0
　　sem Sem_Task2 0x00//设置了信号量Sem_Task2为0
　　5．事件标志设置
　　flg flg_Task1 //设置了事件标志flg_Task1
　　flg flg_Task2 //设置了事件标志flg_Task2
　　5．邮箱设置
　　mbx ID_Task1 TA_MPRI //设置Task1的邮箱
　　mbx ID_Task2 TA_MPRI //设置Task2的邮箱
　　6．中断设置
　　RX850的中断分为直接中断和间接中断两种，直接中断不受RX850制约的中断句柄，理论上接近硬件中断的速度，其缺点是需要用户自己写中断处理句柄，包括：(1). 寄存器压栈；(2). 换向，跳转到中断句柄的开始；(3). 调用系统命令；(4). 返回到调度；间接中断的中断句柄在RX850的中断预处理后才被启动，优点是简化了句柄处理过程，缺点是由于RX850的预处理降低了速度，其处理过程如下：

　　　　　　　　　　　图1 直接中断调度图
　　间接中断配置如下：
　　inthdr INTAD _AD_Interrupt //AD间接中断句柄配置
　　inthdr INTC1REC _CAN_Ch1RxInt //CAN间接中断句柄配置

　　　　　　　　　　图2 间接中断调度图
7．固定/可变内存池设置
　　当系统需要交换较大的数据时，此时任务堆栈是不够用的，需要开辟一段内存来使用。RX850支持两种方式的内存配置，固定内存池和可变内存池。固定内存池由用户自定义内存池的大小，可变内存池根据实际应用系统动态的定义所需内存大小，配置如下：
　　mpf MPF_ID_MBX 0x08 : pool1 50
　　//固定内存以0x08字节为单位排列，大小为50*0x08;
　　mpl MPL_ID_Task1 0x08 : pool1
　　//可变内存0x08字节为单位排列
　　8．系统周期循环中断设置
　　cyc CYC_INT_TIMER _CYC_IntTimer TCY_OFF 10
　　 //系统周期循环中断时间为10个时间片
　　以上完成了操作系统的配置，然后通过NEC的IDE即可生成操作系统的.s和.h文件，将此两个文件包含在工程文件中即可。
　　3 RX850软仿及结论
　　通过以上配置，选择发动机控制模块为对象，下面对RX850进行软仿。NEC电子提供专门的软仿工具AZ，在IDE中打开AZ，运行程序后可以看到如下：

　　　　　　　　　　图3 任务调度仿真图

　　　　　　　　　图4 任务对CPU的占用率
　　也可以通过RD850来实时检测各任务的状态如下：

　　　　　　　　　　图5 任务运行状态
　　通过上图可以很方便的看到每个任务的实时调度情况和CPU内核的使用效率。目前CPU的空闲率为94%，很多任务实际上没有被调用，用户可以根据实际情况将更多的功能模块放在API任务中来运行。软仿只能提供模拟的仿真，如果用户需要更精确的trace工具，则需要用硬仿来实现。
　　4 结束语
　　对于比较复杂的控制系统，RTOS是必不可少的，建立以上开发平台，使得系统工程师可以专注于系统功能建模仿真，然后将功能函数与该平台的API任务调度结合，即可完成片上测试。实践证明，这种开发模式大大提高了整个项目的进度。