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1、1/7 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 X。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
2、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X”，即 OSEK(open system
3、 and the corresponding interfaces for automotive electronics)。1994 年法国汽车工业界的相似规 XVDX(vehicle distributed executive)和 OSEK 规 X 合并，从而形成 OSEK/VDX 规 X 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 C/OS-，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
4、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 OSEK2/7 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
5、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 EE
6、PROM 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 X(OSEKOS)、通信规X(OSEK)、网络管理规 X(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 X，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 OS2EK
7、OIL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。OSEK 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 3/7 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
8、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 0 x400:pool0/系统堆栈大小为 0 x400 tsk TSK1 _TSK1 0 x050:pool1 0 x06 TTS_DMT 0 x00 ei/TSK_ID_1ms 任务堆栈大小 0 x50 3允许最大优先级任务数 maxpri 0 x1f/允许最大优先级任务数为 0 x1f 4.信号量设置 sem Sem_Task1 0 x00/设置了信号量 Sem_Task1 为 0 sem Sem_Ta
9、sk2 0 x00/设置了信号量 Sem_Task2 为 0 4/7 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设置 mbx ID_Task1 TA_MPRI/设置 Task1 的 mbx ID_Task2 TA_MPRI/设置 Task2 的 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
10、).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 5/7 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
11、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 0 x08:pool1 50 /固定内存以 0 x08 字节为单位排列，大小为 50*0 x08;mpl MPL_ID_Task1 0 x08:pool1 /可变内存 0 x08 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 6/7 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
12、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：7/7 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。