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(dāng)前在國際汽車工業(yè)界日益占據(jù)主導(dǎo)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(guān)于操作系統(tǒng)內(nèi)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(chǔ)上，分析兩者技術(shù)特點之間的差異;通過修改μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的部分功能使之符合OSEK/VDX規(guī)范，并提出了車用實時操作系統(tǒng)的設(shè)計思想。
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發(fā)需要，實現(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年德國汽車工業(yè)界聯(lián)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(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范(OSEKNM)和OSEK實現(xiàn)語言(OSEKOIL)。其中OSEKOS是針對汽車應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行靈活的配置;
③汽車應(yīng)用的特定需求，諸如可靠性、實用性和代價敏感性等。相應(yīng)的，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(wù)的個數(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是一個著名的源代碼公開的實時內(nèi)核，專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)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(guān)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(yīng)用程序需要的那些系統(tǒng)服務(wù)，可以減少μC/OS-Ⅱ所需的存儲空間;
⑤占先(Preemp2tive)。μC/OS-Ⅱ完全是占先式的實時內(nèi)核;
⑥多任務(wù)(Multi-Tasking)。μC/OS-Ⅱ可以管理64個任務(wù)，但是目前應(yīng)用程序最多有56個任務(wù);
⑦可確定性 (Affirmable)。μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少;
⑧實用性和可靠性。許多的行業(yè)都有成功應(yīng)用該實時內(nèi)核的實例，這些應(yīng)用的實踐是該內(nèi)核實用性和可靠性的最好證據(jù)。
OSEKOS結(jié)構(gòu)特點及運行機制
OSEKOS的結(jié)構(gòu)特點
(1)高實時性。由于在汽車控制領(lǐng)域，如果出現(xiàn)絲毫的差錯會導(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(diào)度策略和警報機制也能滿足實時性需求;
(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(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語言進(jìn)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(wù)管理
OSEK規(guī)范將任務(wù)分為基本任務(wù)和擴展任務(wù)?；救蝿?wù)具有3種狀態(tài)：運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和掛起狀態(tài)。擴展任務(wù)多了一個等待狀態(tài)。此外基本任務(wù)只在開始和結(jié)束時才有同步點，所以其需要的資源少，而擴展任務(wù)可以對應(yīng)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(wù)之間的同步通過調(diào)度程序來實現(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)場的內(nèi)存開銷較大，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。此策略通過調(diào)用某些服務(wù)例程實現(xiàn)任務(wù)切換，即用戶設(shè)置重調(diào)度點。通過定義任務(wù)組，可以使多個任務(wù)同時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)共存于一個系統(tǒng)時，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行任務(wù)的搶占特性，開發(fā)者通過配置任務(wù)優(yōu)先級和搶占屬性來定義任務(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)每個優(yōu)先級可能有的任務(wù)個數(shù)，需要的是基本任務(wù)還是擴展任務(wù)來進(jìn)行劃分。若每個優(yōu)先級上只有一個任務(wù)，且是基本任務(wù)則定義一致類為BCC1，是擴展任務(wù)則定義為BCC2;若每個優(yōu)先級上可以有多個任務(wù)，且是基本任務(wù)則定義一致類為ECC1，是擴展任務(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。其對任務(wù)的管理沒有影響，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，通過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)先級高于任務(wù)，因此可以搶占任何任務(wù)。
事件機制
事件機制用于保證不同擴展任務(wù)之間的同步。該機制含義是，一個處于等待狀態(tài)的擴展進(jìn)程，只有當(dāng)它所等待的事件至少有一個發(fā)生，才能進(jìn)入就緒態(tài)，并且事件的發(fā)生會以信號的方式傳給該進(jìn)程。只有擴展任務(wù)，才具有事件。
資源管理
具有不同優(yōu)先級的多任務(wù)訪問共享資源需要使用資源管理機制進(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)在處理多個進(jìn)程對共享資源的互斥訪問時，采用信號量對臨界區(qū)數(shù)據(jù)或資源加鎖，但是這樣可能會導(dǎo)致優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。為了避免這種情況出現(xiàn)，OSEK采用了優(yōu)先級最高限度協(xié)議(PCP)，即當(dāng)一個進(jìn)程占用了一個資源后，該進(jìn)程的優(yōu)先級會臨時升高為該資源優(yōu)先級。當(dāng)該任務(wù)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(xié)議同時也解決了死鎖的問題。
