基于OSEK标准的嵌入式实时操作系统在汽车电子中的应用

引言
    随着国内汽车电子产业的不断升级和研发投入的不断加大，国内生产的汽车电子，如简单的ECU已经越来越普及，应用于车载音响、仪表、车身控制BCM、动力转向EPS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就越来越呈现出来，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的，“汽车电子的开放式系统及接口软件规范”，即OSEK(Open System and the Corres-ponding 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，是不太合适的；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4 GB线性寻址能力，代码空间支持64 MB线性寻址能力，内部1 MB的codeFLASH，60 KB的RAM空间，32 KB的data FLASH用作E2PROM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。
     相应地，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 INTTMOEQ0 ／／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：
   
     (7)中断设置
     RX850的中断分为直接中断和间接中断两种，直接中断是不受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：寄存器压栈；换向，跳转到中断句柄的开始；调用系统命令；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，其处理过程如图1所示。
   
   
     间接中断调度如图2所示，配置如下：
   
   
   
     (8)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地定义所需内存大小，配置如下：
     
     （9）系统周期循环中断设置
     系统周期循环中断设置如下：
     
     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图3，图4所示的界面。
   
   
     也可以通过RD850来实时检测各任务的状态，如图5所示。
   
   
     通过图4，图5可以很方便地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。