基于OSEK标准的嵌入式实时操作系统在汽车电子中的应用

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 fo ｒ autoｍｏtive electronｉcs)。

1９94年法国汽车工业界的相似规范VDX(vehiclｅ dist ｒiｂｕｔｅd 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O ＳＥＫ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 ： pooｌ１０x０６ 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_Taｓｋ２0x０0//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_OFＦ10
//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。