基于Simulink的OSEK嵌入式软件开发方法

Matlab" title="Matlab">Matlab" title="Matlab">Matlab／Simulink及OSEK实时操作系统规范已成为标准的开发平台，文章通过引入新的理念和方法将两者相结合。首先从分析软件的架构入手，介绍了Simulink模型中的任务识别、定时机制、基于μC／OS-II的OSEK顺应性开发，以及在Matlab环境下如何创建自定义的驱动库等，最后通过应用实例验证了该开发方法的可行性。
关键词 嵌入式软件开发代码自动生成 Matlab／Simulink OSEK μC／OS－II
   
引 言
     现在V型开发模式已成为使用最广的汽车软件开发流程标准。这一标准流程得到许多工具的支撑，有来自Mathworks的工具，如用于功能开发和仿真的Matlab／Simulink／Stateflow，用于自动代码生成的Real-TimeWorkshop，以及来自dSpace的工具。硬件有用于快速控制原型开发的AutoBox和用于硬件在环测试的模块，软件有产品级代码生成器TargetLink。它们在加快开发周期的同时，也提高了代码的可靠性。
     平台软件方面，OSEK OS是广泛应用于汽车电子领域的嵌入式操作系统(RTOS)规范。它定义了一些基本的系统服务，比如任务处理、中断服务程序(ISR)处理、资源管理、事件处理以及报警服务等。
     由上可知，将Matlab／Simulink的建模和仿真环境在代码生成阶段与OSEK OS规范相结合，将极大地方便开发。这方面Matlab已有针对OSEK／VDX的嵌入式对象模块，TargetLink也实现了部分结合，但两者都局限于特定的硬件，不能应用于不同的控制器和实时操作系统。
   
1 嵌入式软件开发理念
     符合基于模型的开发和OSEK规范的软件架构如图1所示。以英飞凌XC164系列单片机为例，硬件层的核心部件由RTOS提供的系统服务进行管理，外设部件由相应的驱动程序驱动。
   
       中间层(软件运行环境)包括两部分，操作系统和硬件驱动。操作系统采用顺应OSEK规范的μC／OS－II(见3．1)，硬件外设驱动开发在后面作介绍。
     应用程序指的是与硬件无关的软件，含控制算法和中断服务程序(ISR)。控制算法完成控制任务，形式一般为Simulink模型。该模型可以和被控对象模型一起在闭环状态下完成功能仿真，同时也可以在代码生成阶段与硬件驱动以及操作系统API一起生成可在目标硬件上运行的程序。这里ISR可以有两种类型，可以是手写的C代码，也可以是Simulink模型中的触发子系统。在该子系统中的触发源是图1中所示的硬件层外设。
                                       
2 MATLAB环境下代码生成流程
     实时工作空间(Real－Time Workshop，RTW)代码生成流程包含下面几部分。
     ①仿真和模型文件(model．mdl)。通过手动添加C语言S函数可以扩展Simulink模型库。
     ②中间描述文件(model．rtw)。该文件描述了模型中系统和各模块以及它们之间的联系，可以看作是模型文件的分层式的描述库文件。
     ③目标语言编译器(TLC)文件。目标语言编译器读取model．rtw文件中的信息，将模型最终转化成源代码。
     TLC文件有两种形式，系统TLC文件和模块TLC文件。前者控制整个模型的代码生成，比如可以指定模型生成C语言源代码，而后者仅针对对应的模块。对每个手动添加的C语言S函数对象，必须有对应的模块TLC文件，才可用于代码生成。
     ④生成的源代码。图2中列举了生成的主要源代码，其中model．c是model．mdl对应生成的算法源代码。
                                 
       对于生成的源代码可对其手动添加需要的ISR，或者整合一些成熟的C算法代码，然后在Keil环境下进行编译，生成嵌入式可执行文件。下面将model．mdl看作应用程序来讨论。嵌入式应用程序主要完成两类任务，周期性任务和事件驱动型任务。后者通常以ISR处理。
     为了使Simulink模型能在RTOS中执行，必须将其划分成不同的任务。Targetlink中的任务划分如图3所示。TargetLink有两种划分方式，默认方式和自定义方式。默认方式下，TargetLink将模型中所有周期性的具有相同采样时间的子系统划归为独立任务，具有相同触发源的触发子系统结合在一起，要么和触发源一起归为同一任务，要么独立成为新的任务。自定义方式下，用户通过在子系统中添加特殊的“任务模块”(见图3中的“TaskA”、“Task B”、“Task C”)来任意地划分任务。
                                      
       鉴于本开发是基于Matlab中针对OSEK／VDX的嵌入式对象模块，TargetLink中的任务划分方式不能被直接移植，因此采用函数调用子系统(function-callsubsystem)作为独立任务的标识，如图4中的Task A和Task B模块。同Simulink中其他离散模块一样，函数调用发生器有自己的采样时间，用以表明该子系统被执行的频度。模型中也会有一些其他模块不在函数调用子系统内，如图4中的定时模块，以便与任务模块相区分。图4中ISR的部分采用触发子系统，当触发条件满足时该子系统被执行。
                                            
   3 软件运行环境的开发
3．1 OSEK顺应性开发
     近来已有很多商业嵌入式操作系统符合OSEK规范，像Wind River的OSEKWorks、Elektrobit的Pro-OSEK，还有ETAS的RTA-OSEK。鉴于成本方面的考虑，采用内核源代码开放的μC／OS-II。
     μC／0S-II和OSEK规范有许多共同点，比如都支持基于任务优先级的占先式调度，都有很好的可移植性和可裁剪性。但也存在不同之处，比如OSEK规范中的BCC2和ECC2顺应等级都支持同一优先级下的多个任务，而μC／OS-II仅支持同一优先级下一个任务；OSEK规范对互斥资源的访问采用最高优先级限度协议，而μC／0S-II采用互斥信号量机制。参考文献[6]在基于μC／OS-II的OSEK顺应性移植方面进行了实际的开发。本文采用修改过的μC／OS-II作为OSEK的一个操作系统实例，来讨论模型的定时机制。
3．2 定时机制
     Matlab／Simulink环境下RTw Embedded Coder默认采用多速率、多任务求解器来处理多采样时间的模型。在生成的model．c文件中，有函数rate_monotonic_sehed-uler()。该函数用于维护调度计数器，处理模型中不同采样时间模块的运行顺序。它实际上就是操作系统中经常提到的单调执行率调度法(RMS)。
     μC／OS-II中函数OSTickISR()提供时间基准服务，用于判断任务等待以及超时。这个中断服务程序通常由硬件计时器驱动，中断频率在10～100 Hz。在函数0S-TickISR()中调用了OSTimeTick()用于处理任务等待。
函数OSTicklSR()的代码见代码段1：
OSTicklSR PROC INTERRUPT UCOS_OSTicklSR=Ox22
   
     为了将两者的定时策略相结合，可进行两处修改。第一，在μc／OS-II中保留函数OSTickISR()，但是中断频率不是如代码段1中所示的10 ms那样的固定值，而对不同的应用程序采用浮动的中断频率。这里取model．mdl中所有采样时间的最大公约数作为模型的时间基准。这样可以最大限度地减小系统因周期性的时钟中断OS-TickISR()而造成的资源开销。第二，创建一个新任务HighstPrioTask()。该任务具有最高的优先级，即任务控制块TCB中OSTCBPrio=0，这样在每次产生任务调度时都能确保该任务获得CPU使用权。该任务可理解为在图4中的任务子系统和定时模块之上的高一级的调度任务。其伪代码见代码段2(Pseudocode of added task High-
   
3．3 创建自定义驱动模块
     图1中软件运行环境的自定义开发可以分为两部分，一部分是实时操作系统的API驱动库的自定义开发，另一部分是XCl64系列单片机的设备驱动模块开发。两者都可利用参考文献[4]中提及的“自定义设备驱动”来描述。在“自定义设备驱动”的开发中，开发者通过Matlab提供的S一函数机制，为每个模块需要手动编写两个源文件，即block．c和block．tlc。其中block．c负责在仿真阶段进行模块初始化及模块输出的计算，同时在代码生成阶段通过函数mdlRTW为model．rtw传递所需的参数。文件block．C中出现的主要函数有：
     ①mdlInitializeSizes，用于细化SimStruct结构中不同参数的维数(SimStruct是指Simulink数据结构，Sim-Struct及其相关的宏定义参见Matlab目录下文件sim-strue．h)。
     ②mdlInitializeSampleTimes，用于细化该模块的采样时间。
     ③mdlOutputs：：对输入设备来讲，从硬件中读取值加以计算并传递到模块输出端；对输出设备而言，从上流模块读取数据，加以处理并写回硬件。
     文件block．tlc用来控制代码生成过程，通过相应函数将语句写入生成的源文件中，代码段3是一个例子。文件中使用的函数主要包括：％function BlockTypeSetup(block，system)void、％function Start(block，system)Output、％function Outputs
   
   4 应用实例
     图5是一个简单的应用。其中建立了两个任务，任务ADC_SUM每0．1 S执行1次，任务ADC_GPIO每0．5 S执行1次。第一个任务包含一个ADC S函数模块。该S函数属输入设备，并被封装成具有图5所示的参数输入界面；第二个任务包含另外一个S函数模块，GPIO，在这个应用中为输出模块。
   
       像第二部分描述的一样，算法可以进行仿真。仿真完成后可通过RTW生成代码(本文选择osekworks．tlc为系统TLC文件，并对该文件进行了适当修改)。生成的源代码(包括*．c源文件和*．h头文件)可以在Keil C166环境下联合编译并进行软件调试运行，如图6所示，这样也便于集成传统手动开发流程中成熟的算法代码。最终图6 Keil C166环境下编译带μo／os-ll的生成源代码代码可在目标硬件上运行。
   
   5 结 论
     目前越来越多的汽车电子系统的开发借助Matlab／Simulink，并且其已变成标准的开发工具。本文提出的软件开发方法基于Sireulink环境和OSEK OS规范。在Simulink环境下开发的算法可以结合OSEK RTOS(本文为修改过的μC／OS-II)直接应用到目标硬件上。该方法已通过实例进行了验证，与传统方法比较极大地缩短了开发时间。