（通信与信息系统专业论文）无线轮胎压力监测系统中央接收模块的软件设计.pdf

哈尔滨理t 大学1 = 学硕上学位论文 无线轮胎压力监测系统中央接收模块的软件设计 摘要 汽车轮胎压力监测系统( t p m s ) 主要用于在汽车行驶时实时地对汽车轮 胎气压、温度等参量进行自动监测，并采用无线发射接收的方式传输信息， 从而对轮胎漏气和低气压等进行报警，以保障行车安全，是驾车者和乘车人 员的生命安全保障预警系统。t p m s 是继安全气囊、a b s 刹车系统之后， 在国际汽车领域出现的新一代汽车安全配备用品。t p m s 已经成为汽车电子 行业的一个新兴研究内容。 本文的主题就是先设计一个嵌入式平台，在此平台基础上进一步探讨应 用软件的设计方法。首先，本文采用了一种典型的实时多任务的嵌入式操作 系统i 上c o s i i ，对该嵌入式操作系统的内核结构和内核的实现方法进行了 详细分析。其次，根据 t c o s i i 的移植要求，实现了i - t c o s i i 在以 p h i l i p s 公司的3 2 位a r m 处理器l p c 2 1 3 l 为核心的硬件平台上的移植， 并详细介绍了开发环境的配置及调试方法。 通过如下过程实现对中央接收模块的初步研究设计：1 ) - j 解t p m s 系统 的发展历程、现状和趋势；2 ) 分析比较t p m s 系统的传统结构，对中央接收 模块的结构进行改进；3 ) 完成t p m s 系统中央接收模块的原理、结构、各种 构成元件的软硬件设计过程和选用器件的引脚配置等；4 ) 确定基本的系统测 试方法和测试过程，分析测试结果，得到研究设计结论。 该系统是在大量的试验数据和参考文献的基础上建立的理论基础，通过 需求分析完成了t p m s 的总体结构设计、基于操作系统的软件设计，最终 通过了初步的软件测试。对该系统的误差及使用范围也进行了分析。验证了 基于a r m + t c o s i i 的嵌入式系统平台在应用中的优越性。 关键词轮胎压力监测系统；a r m ；i t c o s i i , 任务 s o f t w a r ed e s i g nf o r t h ec e n t r a lr e c e i v e rm o d u l e o f w i r e l e s st i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t t p m s ( t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) i sm a i n l ya p p l i e dt o r e a l t i m e m o n i t o rc a r s t i r ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea u t o m a t i l yw h e nv e h i c l ei st r a v e l i n g i ta d o p t e sw i r e l e s st r a n s m i t t e r s t or e c e i v et h et r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o na n d a l a r m sn l ef l a tt i r ea n dl o wp r e s s u r et oi n s u r ei t ss a f e t y i ti st h es a f e t ya s s u r a n c e w a r n i n gs y s t e m so ft h ed r i v e ra n dt r a v e l e r t p m si s an e wg e n e r a t i o no f a u t o m o t i v es a f e t ye q u i p m e n ti nt h ei n t e r n a t i o n a la r e n aa f t e rs a f e t ya i rb a ga n d a b sb r a k i n gs y s t e m t p m sh a sb e c o m ean e ws t u d yi na u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s i n d u s t r y t h es u b je c to ft h i sa r t i c l ei st od e s i g na ne m b e d d e dp l a t f o r m ，a n do nt h i s b a s i sif u r t h e re x p l o r et h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n i n gm e t h o d s f i r s t l y , i a d o p tat y p i c a lm u l t i t a s k i n gr e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mp c o s i i ，a n d t h e na n a l y s ei t sk e r n e ls t r u c t u r ea n dk e r n e lr e a l i z e dm e t h o d si nd e t a i l s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n tf o rp c o s i it r a n s p l a n t , if i n i s ht r a n s p l a n t i n gt h e p c o s i io p e r a t i n gs y s t e mo nah a r d w a r ep l a t f o r mw i t hp h i l i p sc o m p a n y s3 2 - b i ta r mp r o c e s s o rl p c 2 131 嬲i t sc o r e a n df i n a l l y ，ii n t r o d u c ec o n f i g u r a t i o n m e t h o r d sa n dd e b u g 沓n gf o rt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti nd e t a i l s t h ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h ec e n t r a lr e c e i v e rm o d u l em a i n l yi n c l u d e s4 s t e p s ：1 ) l e a r n i n gt h ed e v e l o p m e n t ，s t a t u sa n dt r e n d so f t h et p m s ；2 ) t h r o u g h a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e so ft m p s st r a d i t i o n a l s t r u c t u r e ，i i m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h ec e n t r a lr e c e i v e rm o d u l e ；3 ) f i n i s h i n gt h ep r i n c i p l e ， s t r u c t u r e ，v a r i o u sc o m p o n e n t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o n e n t sd e s i g n p r o c e s so nt p m ss y s t e mh o s tm o d u l ea n ds e l e c t i n gd e v i c eo fp i nc o n f i g u r a t i o n e t c ；4 ) d e t e r m i n i n gt h eb a s i cs y s t e mt e s t i n gm e t h o d sa n dt e s t i n gp r o c e s s ， a n a l y z i n gt e s tr e s u l t s ，a n dr e a c h i n gt ot h ec o n c l u s i o n so f r e s e a r c ha n dd e s i g n t h es y s t e mi st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nw h i c hi ss e tu po nt h eb a s i so f 1 1 m a n ye x p e r i m e n t a ld a t aa n dr e f e r e n c e s i tf i n i s h e st p m s so v e r a l ls t r u c t u r ea n d s o f t w a r ed e s i g nb a s e do no p e r a t i n gs y s t e mr e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，a n d f i n a l l y p a s s e st h ei n i t i a ls o f t w a r et e s t i n g w ea l s oa n a l y z ei t se r r o r sa n dt h er a n g eo f a p p l i c a t i o na n dv e r i f yt h es u p e r i o r i t yo fe m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r mb a s e do n a r m + i 上c o s - i ii nt h ea p p l i c a t i o n k e y w o r d st i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ，a r m ，b c o s i i ，t a s k i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文无线轮胎压力监测系统的中央 接收模块的软件设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名 ：2 0 0 9 年3 啪 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 无线轮胎压力监测系统的中央接收模块的软件设计系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 僦铷匆吼2 一月f 6 日 导师签名： 删妒期：2 0 0 9 生g 3 月f 6 日 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 随着工业经济的进步，汽车开始大量使用，公路和高速公路也日渐得到重 视，并开始发展起来。美国现有公路总里程和高速公路里程最长，已经形成了 约6 9 万公里的洲际高速公路网，公路已成为美国人日常生活必不可少的部 分。西欧各国和日本，公路网基础好，高速公路也逐步成网，公路运输一直为 内陆运输的主力。作为发展中国家，中国高速公路通车总里程去年跃居世界第 二位，目前总里程为2 万公里，但因幅员辽阔，高速公路网的平均密度很低， 路况相对来说也比较差。 高速公路的速度和便利，改变了人们的时空观念，拉近了地域距离，改善 了人们的生活方式。但是随之而来的高速公路恶性交通事故却令人震惊，已经 引起世界各国的强烈关注和重视，并开始讨论或采取相应防范措旌。 据2 0 0 2 年美国汽车工程师学会调查，全美平均每年有2 6 万起交通事故是 由于轮胎气压低或渗漏造成的，而在高速公路上发生的交通事故有7 0 是由于 爆胎引起的。此外，每年7 5 的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。 统计表明：交通意外增加的主要原因是高速行驶中因轮胎故障引起的爆胎。 2 0 0 0 年l1 月1 日美国总统克林顿签署批准了美国国会关于修改联邦运输 法的提案，联邦法案要求2 0 0 3 年以后出产的所有新车都需将轮胎压力监测系 统作为标准配置。2 0 0 6 年1 1 月1 日起所有需要行驶在高速公路上的汽车都需 配置轮胎压力监测系统。可见，轮胎压力监测系统将在未来成为汽车的标准配 置之一【1 1 。 2 0 0 1 年7 月，为响应美国国会对车辆安装t p m s 立法的要求，美国运输 部和国家高速公路安全管理局( n h t s a ) 联合对现有的两种t p m s 进行了评 价，报告第一次将t p m s 作为专用词汇，并确认直接式t p m s 优越的性能和 准确的监测能力。由此t p m s 汽车轮胎智能监测系统作为汽车三大安全系统之 一，与汽车安全气囊、防抱死制动系统( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，a b s ) 一起被 大众认可并受到应有的重视。中华人民共和国国家标准“机动车运行安全技术 条件”( 征求意见稿2 0 0 3 年1 1 月2 4 日) 中的安全防护装置条款中有一条： “车 长大于6 m 的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于1 2 0 0 0 k g 的载货汽车 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置 ，“有关部分机动车应安装轮胎压力报 警装置的要求，自本标准发布之日起第2 5 个月开始对新注册车实施。”可见我 国政府也开始重视汽车轮胎压力监测设备的发展和应用l z 】。 进入2 1 世纪以来，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势。据 有关数据表明，2 0 0 0 - - 2 0 0 2 年实际汽车保有量分别为1 6 0 8 9 1 万、1 8 0 2 0 4 万 和2 0 5 3 1 7 万辆，年平均增长速度分别达到了1 0 7 3 、1 2 、1 3 9 4 。2 0 0 3 年 汽车保有量至少达到了2 3 5 3 万辆，比2 0 0 2 年增长1 4 6 ，截止到2 0 0 8 年9 月底，全国机动车保有量为1 6 8 0 3 万辆。中国有望在2 l 世纪的前1 0 年成为世 界上最具成长性和规模最大的汽车消费市场之一，而与此同时，对汽车配套产 品及汽车电子产品的需求也必将形成容量巨大的长期市场需求p 】。 轮胎压力监测系统主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监 测，对轮胎漏气和低气压进行报警，是驾驶员和乘客的生命财产安全保障预警 系统。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶员最为担心和最难预防 的，是造成突发性交通事故发生的重要原因之一，由此产生了对t p m s 系统应 用研究。 t p m s 的作用： 首先，增强汽车行驶安全性，提高车辆操控性能。不同类型的轮胎其标准 胎压不一样，充气压力低于或高于标准压力的一定范围，都会导致轮胎故障。 胎压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力 增高，磨损加剧，花纹底部开裂，又因此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲 作用，增大了轮胎与路面间的动载荷，汽车的平顺性变坏，轮胎的回正力矩减 小，促使汽车操纵性能降低【4 l 。如果行驶中遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破 裂。胎压低于标准胎压，特别是汽车高速行驶时，轮胎会急剧升温而脱层，削 弱轮胎的强度以及承载能力，最后导致轮胎破裂漏气【5 】。在实际应用中，很难 依据经验确定轮胎气压的水平，充气压力达到标准值的7 0 看起来就像达到 1 0 0 一样【“丌。据统计，目前美国的车辆中有2 0 - 4 0 的轮胎气压不足【引， 而我国约有5 0 的汽车轮胎在充气压力低于标准值3 0 的条件下工作【9 】。直接 式t p m s 可以利用安装于轮胎上的传感器精确检测轮胎的压力和温度，当压 力、温度超过设定的阈值时及时警示司机，增强汽车行驶安全性。据美国国家 高速公路安全管理局( n t h t s a ) 估计，如果采用四轮压力监测系统，2 0 的 低于阈值，每年可防止1 0 6 3 5 起交通事故，减少7 9 起死亡i 1 0 1 。 其次，减少燃油消耗，增加轮胎使用寿命。科学统计表明，汽车缺气行驶 时，轮胎气压从正常值下降1 0 ，寿命将减少1 5 ；气压降低2 5 时，寿命大 2 哈尔滨理t 大学t 学硕_ 二学位论文 约降低3 0 ，如果气压低于正常值0 2 1 b a r ，油耗将增加1 5 【1 。可见，正常 的充气压力对减少油耗，增加轮胎使用寿命至关重要。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状及发展趋势 由于立法支持，国外t p m s 产业链已较为成熟。主要传感器制造商包括英 飞凌、飞思卡尔等，t p m s 模组厂商包括德国大陆、德尔福、博世等，其中博 世开发的t p m s 产品要到2 0 0 8 年第四季度量产。轮胎生产商斯马轮胎设备公 司、固特异、米其林等也都进入该产业链，通过在轮胎内部安置t p m s 来分享 法令推动下t p m s 市场所带来的利润【i2 1 。 所应用的t p m s 系统主要有三种类型，一种是间接式t p m s ( w h e e l s p e e d b a s e dt p m s ) ，另一种是直接式t p m s ( p r e s s u r e s e n s o rb a s e dt p m s ) ，另外一 种是复合式t p m s 。如下所述。 1 间接式t p m s 间接式t p m s 借助防抱死制动系统的轮速传感器来比较车 轮的转速，从而估算两个轮胎胎压的差别，当某个轮胎胎压低于预先设定的阈 值时，向司机报警【i3 1 。该类型系统的主要缺点是无法对两个以上的轮胎同时缺 气的状况和速度超过1 0 0 公里d , 时的情况进行判断。 2 直接式t p m s 利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的 气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上【1 4 1 。监视器随时显示各 轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低、太 高或有渗漏时，系统就会自动报警。如图1 1 所示。现在直接式t p m s 产品 中，大多已经集成了温度传感器，可以同时对轮胎内部的压力和温度进行测 且 更o 3 复合式t p m s 它兼有每个系统的优点，复合式系统在两个互相成对角的 轮胎内装备直接传感器，并装备一个四轮间接系统。与全部使用直接系统相 比，这种复合式系统可以降低成本，克服白j 接系统不能监测出多个轮胎同时出 现气压过低的缺剧1 5 】。但是，它仍然不能提供所有四个轮胎内实际压力的实时 数据，只有直接系统才具备这种功能【1 6 1 。 因为直接式t p m s 系统可以直接显示出轮胎内部压力和温度的实时数据， 使驾驶者很直观了解轮胎的使用状况，因此国外大部分公司都是针对直接式 t p m s 系统进行的开剔1 。丌。主要生产商有s m a r t i r e 公司、通用公司、固特异轮 3 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 胎橡胶公司、米其林集团公司、诺基亚轮胎公司、日本横滨公司等。日本 a l p s ( ；6 尔卑斯) 电气日前成功地开发出了不需电池的直接方式轮胎气压监控系 统( 无源t m p s ) ，并于2 0 0 5 年开始量产【l 引。住友橡胶工业日前宣布开始向德国 博世公司提供轮胎气压降低报警装置软件，该软件使用a b s 和e s c 等车轮信 息进行运算，通过轮胎外周长的变化来发现气压的降低，属于间接式。与使用 压力传感器直接监测气压的直接式相比，具有耐用性强、成本低的优点。固特 异轮胎橡胶公司与西门子公司联合展示了一个新型轮胎压力监测系统，该系统 还包括补偿温度、压力以及轮胎负载、速度等因素的相关软件。飞利浦电子集 团推出了可直接测量车辆轮胎气压并识别轮胎的新型半导体解决方案，等等。 图1 - 1t p m s 构成原理框图 f i g1 - it i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a m 目前国外带电池的t p m s 系统相对已经比较成熟，主要在进行无源t p m s 系统的研究，将向高度集成化、单一化的无源t p m s 进行发展，并着手开发体 积小、集成度高、功能多的t p m s 系统，除了测量轮胎压力和温度外，还能够 测量轮胎载荷、滑动摩擦系数、胎面磨耗、道路表面质量等参数。 4 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状及发展趋势 目前国内轮胎压力监测系统市场还处于产品完善和市场起步阶段，整套系 统价格还比较高，而且产业化配套的市场也没有大规模启动。国内市场出现的 设备主要靠进口，有许多汽车配件商开始代理销售国外的t p m s 系统。上海和 重庆及广东等地有几家公司开始投入生产并销售t p m s ，主要生产商有上海泰 好电子科技有限公司、棋港电子有限公司、佛山市朗杰电子科技有限公司、深 圳市瑞电通信电子有限公司等【1 9 1 。但是国产t p m s 基本是靠引进国外公司轮胎 压力监测系统开发平台及生产线，核心技术都掌握在国外厂家手中，基本没有 自主知识产权可言，因此开发拥有自主知识产权的t p m s 意义重大。 其实中国政府很早就开始重视汽车轮胎气压监测设备的发展和应用。早在 2 0 0 3 年1 1 月颁布的机动车运行安全技术条件( 征求意见稿) 中，也对安装 轮胎压力检测装置做出了说明。但对于t p m s 在国内的应用，有关方面采取了 对待类似高新技术产品的一贯的审慎态度。国内t p m s 尚未制定国家标准，关 键技术都掌握在少数跨国企业手中，产业本土化及配套市场还没有大规模形 成，一旦以法规形式强制要求安装t p m s ，中国本土企业仍只能在整个价值链 中得到最低的一环。因此，随着t p m s 逐渐成为汽车的标准配置，开发拥有自 主知识产权的t p m s 意义重大。 未来的t p m s 模块将向高度集成化、单一化、无线无源化方向发展【2 0 j 。高 集成度芯片可以降低功耗，提高系统的可靠性，并且具有良好的经济性。目前 己经有了如g en p x 2 那样的将所需测试各物理量的传感器与m c u 二合一的 智能传感器模块，在未来几年内还会开发出包含r f 发射芯片三合一的模块， 包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块( 例如g e 准备推出的n p x 3 ) 。上 海交大正在开发基于s a w 技术的无线、无源t p m s 新方案，目前己有初样。 这将是现有t p m s 技术的新的技术革命，不仅实现智能轮胎信息的无源测量和 无线发送，而且将拥有中国人自主的知识产权。 1 3 论文的主要研究内容 由上面有关内容可知，直接式t p m s 系统可以直接显示出每个轮胎内部压 力和温度的实时数据，使驾驶者直观了解轮胎的使用状况，从而能更好地预防 轮胎爆胎，因此，决定针对直接式t p m s 进行相关的研究。 其工作原理为：首先是放置在轮胎内部的发射系统对轮胎内部的压力和温 5 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 度进行在线的测量，然后把测量到的数据进行相应处理后，通过无线传输的方 式发送到位于驾驶室中的接收系统，接收系统对接收到的数据进行相应的处 理，然后在显示面板上进行数据的显示，如果轮胎压力和温度出现异常情况的 话，进行相应的声光报警。 由于现有方案及产品大部分在功耗管理，无线数据通信可靠性以及产品价 格等方面还有待改进，所以本课题的研究内容主要集中在下述几个方面： 1 分析比较当前国内外t p m s 系统的现状和优缺点，为t p m s 整体方案 的设计提出科学的依据。 2 确定t p m s 的整体方案和应该实现的功能和性能。 3 详细阐述了p c o s i i 的内核结构，剖析了l l c o s i i 在内核实时性、多 任务调度的实现机理，以及如何合理划分任务等，为进一步的研究打下了坚实 的基础。 4 研究t p m s 系统中数据接收处理和显示的软件实现方法，对系统软、 硬件的调试与测试。 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章嵌入式操作系统及l a c o s i i 内核分析 2 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统简称e o s ( e m b e d d e do p e r a t es y s t e m ) ，是嵌入式系统的软 件核心，绝大部分嵌入式操作系统为实时操作系统8 ”，即r t o s ( r e a lt i m e o p e r a t es y s t e m ) 。e o s 的显著特点是内核小、实时性强、可裁剪及支持多任务 等。此外，e o s 也可以提供设备驱动程序和图形用户界面g u i ，支持t c p i p 和p p p 网络协议等。作为操作系统，e o s 具有一般操作系统的共性，也具有 针对嵌入式应用的特殊性。 大多数嵌入式系统应用在实时环境中，应用在实时系统中的嵌入式操作系 统可以称之为嵌入式实时操作系统，因此e o s 和r t o s 密切关联，有着相似 的体系结构。嵌入式操作系统的可裁剪性是嵌入式系统可裁剪性的主要表现， 根据不同的应用，其组成也有所不同。嵌入式操作系统一般由实时内核、网络 组件、文件系统和用户接口等部分组成，其体系结构见图2 1 。 圈2 - 1r t o s 的体系结构 f i g2 - 1s y s t e ms 仃u c m r e o f t h e r t o s 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 嵌入式操作系统的种类繁多，一般可以分为商用型和免费型两种。目前市 场上流行的、应用比较广泛的商用型嵌入式操作系统主要有v x w o r k s 、 p a l m o s 、p s o s 、q n x 、w i n d o w sc e 等，它们的优点是性能稳定、功能完 善，具有良好的技术支持和售后服务。不足之处是用户在获得高性能和高层次 服务的同时，也需要支付高昂的费用。免费型嵌入式操作系统可以免费获得其 源代码，目前应用比较广泛主要有l a c o s i i 、r t c l i n u x 和r t l i n u x 等。我国在 近年也推出了部分嵌入式操作系统，如北京科银京成技术有限公司发布的 d e l t a o s 、北京凯思集团推出的h o p e n 和山东神思电子系统有限公司研发的s - 6 等。h o p e n 已成功的用于联想、熊猫和中电等公司的3 0 0 多万部手机中，s 6 已由山东省发改委向国家发改委申请产业化推广。 2 2 g c o s i i 概述 l 上c o s 和i - t c o s i i 是由美国人j e a nj l a b r o s s e 开发的实时操作系统内核， 其产生的背景和l i n u x 较为相似，由于从事嵌入式产品的开发和作者的兴趣使 然。i _ t c o s 是作者1 9 9 2 年开发的版本，后来升级为p c o s i i ，最新的版本为 i t c o s i i v 2 8 x 。i 1 c o s i i 的源码是公开的，用于教学或研究是免费的，嵌入在 用户产品中则需要申请许可证【2 2 1 。i t c o s i i 已经有数百种应用，百余种处理器 、和编译器的移植。i - t c o s i i 的应用领域甚为广泛，包括手机、路由器、集线 器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制等。 p , c o s i i 是一个完整的、可移植、可裁剪的占先式实时多任务内核四】。至 今，从8 位到6 4 位，i - t c o s i i 已在超过4 0 种不同架构的微处理器上运行。 i 上c o s i i 的特点主要包括以下几个方面【2 4 1 ： 1 开放源代码肛c o s i i 源代码开放，清晰易读、注解详尽、结构协调组织 有序。并且对于研究使用完全免费。 2 可移植性绝大部分的源码是用移植性很强的a n s i c 写的。和微处理器 硬件相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分己经压到最低限度， 使得便于移植到其他微处理器上。 3 可裁剪可以只使用应用程序需要的那些系统服务。 4 可剥夺性完全是占先式的实时内核。这意味着t t c o s i i 总是运行就绪 条件下优先级最高的任务。 5 多任务g c o s i i 的v 2 5 2 版本可以管理6 4 个任务，赋予每个任务的不 同的优先级，不支持时间片轮转调度法。 8 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 6 可确定性全部的函数调用与服务的执行时间具有其可确定性。 7 任务栈每个任务有自己单独的栈。 8 系统服务提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固 定的内存的申请与释放、时间相关函数等。 9 中断管理支持的中断嵌套层数可达2 5 5 层。 l o 稳定性与可靠性2 0 0 0 年7 月，i - t c o s i i 在个航空项目中得到了美国 联邦航空管理局( f e d e r a la v i a t i o na d m i n i s t r a t i o n ) 的认证。 2 3 t c o s i i 内核分析 多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配c p u 时 间，并且负责任务之间的通讯。内核提供的基本服务是任务切换。之所以使用 实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干 个任务，由实时内核来管理它们。内核本身也增加了应用程序的额外负荷，代 码空间增加r o m 的用量，内核本身的数据结构增加了r a m 的用量。但更主 要的是，每个任务要有自己的栈空间。内核本身对c p u 的占用时间一般在2 到5 个百分点之间。 单片机一般不能运行实时内核，因为单片机的r a m 很有限。通过提供必 不可缺少的系统服务，诸如信号量管理，邮箱、消息队列、延时等，实时内核 使得c p u 的利用更为有效。 调度是内核的主要职责之一，就是要决定该轮到哪个任务运行了。多数实 时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的 优先级。基于优先级的调度法指，c p u 总是让处在就绪态的优先级最高的任务 先运行。然而，究竟何时让高优先级任务掌握c p u 的使用权，有两种不同的 情况，这要看用的是什么类型的内核，是不可剥夺型的还是可剥夺型内核【2 引。 2 3 1 i j l c o s - i i 的任务管理与任务调度 i _ t c o s i i 采用基于固定优先级的占先式调度方式，是一个实时、多任务的 操作系统。系统中的每个任务具有一个任务控制块o st c b ，任务控制块记录 任务执行的环境，包括任务的优先级、任务的堆栈指针、任务的相关事件控制 块指针等。内核将系统中处于就绪态的任务在就绪表( r e a d yl i s t ) 进行标注，通 过就绪表中的两个变量o s r d y g r p 和o s r d y t b l 可快速查找系统中就绪的任 务。在 i c o s i i 中每个任务有唯一的优先级，因此任务的优先级也是任务的 9 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 唯一编号( i d ) ，可以作为任务的唯一标识。内核可用控制块优先级表 o s t c b p r i o t b i 】由任务的优先级查到任务控制块的地址。肛c o s i i 主要就是利 用任务控制块o st c b 、就绪表和控制块优先级表o s t c b p r i o t h i 来进行任务 调度。任务调度程序o s s c h c d o 首先由就绪表中找到当前系统中处于就绪态的 优先级最高的任务，然后根据其优先级由控制块优先级表o s t c b p r i o t b l 取得 相应任务控制块的地址，由o st a s ks w o 程序进行运行环境的切换。将当前 运行环境切换成该任务的运行环境，则该任务由就绪态转为运行态。下面从任 务控制块、任务管理、任务调度三方面描述i i c o s i i 内核： 1 p c o s i i 的任务控制块( o st c b ) 为了便于多任务的管理和调度，在 i _ l c o s i i 中为每个任务专门配置了一个称之为“任务控制块”的数据结构，保 存该任务的相关参数，包括任务堆栈指针、状态、优先级、任务表位置、任务 链表指针等。i 上c o s i i 的t c b 与大部分多任务o s 的t c b 相仿，包含了任务 运行和管理的信息。但也有些独特的特点瞄】： a ) 可裁剪，包含受宏定义控制的条件编译，允许用户根据具体应用对 t c b 进行裁减，节省内存空间。 b ) 具有单独的任务堆栈并对其进行管理。 曲包含为任务状态转换而保存的任务信息，提高任务调度效率。 p c o s i i 中所有的任务控制块分为两条链表，空闲任务控制块链表和使用 任务控制块链表。系统在初始化的时候，将所有的任务控制块串联成空闲链表 如图2 2 所示，在创建任务需要为任务分配任务控制块时，查找空闲任务控制 块链表。并为之分配任务控制块，初始化任务控制块。初始化后的任务控制块 被链接成使用任务控制块链表，内核所能管理的所有的任务信息都在使用链表 中。任务删除后又将任务控制块归还给空闲任务控制块链表。 删o s l o r 眦l j t 舢 g n g f z l ) f r e e l i s t 0 研叱b n 嘲0 翻几c b n 瞳0 s t 嘞k 喊 图2 2 空任务控制块链表 f i g 2 - 2i d l et a s kc o n t r o lb l o c kl i s t p c o s 1 1 分配给用户最多任务控制块o s t c b s 的数目并不是固定不变 1 0 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 的，而是由用户程序定义的最多任务数o sm a xt a s k s 决定的，上图中 n = o sm a xt a s k s + o sns y s 为系统任务的t a s k sl ( o sns y st a s k s 数目，p c o s i i 内核将其设为了2 ) 。由此可见将o s m a x t a s k s 的数目设 置为用户应用程序实际需要的任务数可以减小r a m 的需求量。 2 p c o s i i 的任务管理任务通常是一个无限循环，也可以在一次执行完 毕被删除掉，这里所说的删除并不是说该任务代码被删除，而是指l i c o s i i 不再理会该任务。任务看起来和任何c 函数一样，具有一个返回类型和一个参 数，但是并不返回任何值。任务的返回类型必须定义成v o i d 类型。任务必须 是下列2 种结构之一： v o i dy o u r t a s k ( v o i d 奉p d a t a ) f o “；) 幸用户代码宰 调用l i c o s i i 的服务例程之一： o s m b o x p e n d o ； o s q p e n d o ； o s s e m p e n d o ； o s t a s k d d ( o s _ p r i o _ s e lf ) ； o s t a s k s u s p e n d ( o s _ p r l os e lf ) ； o s t i m e d l y 0 ； o s t i m e d i y h m s m o ； 产用户代码事 ) ) 或 v o i dy o u r t a s k ( v o i d 木p d a t a ) 木用户代码宰 o s t a s k d d ( o sp r i os e l f ) ； ) i t c o s i i 对任务的管理主要有以下几个方面：建立任务、删除任务、改变 任务的优先级、挂起任务、恢复任务等。 建立任务通过o s t a s k c r e a t e 0 函数或o s t a s k c r e a t e e x t o 函数完成。任务可 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 以在多任务开始调度前建立，也可以在其他任务的运行过程中建立。在开始调 度多任务之前，必须建立至少一个任务。任务不能由中断服务程序建立。建立 任务需要在空任务控制块链表中获得一空闲任务控制块，并初始化该任务控制 块，以便记录该任务的运行情况，便于p c o s i i 管理。 堆栈检验由o s t a s k s t k c h k o 函数实现、删除任务由o s t a s k d e l o 函数实 现，请求删除任务由o s t a s k d e l r e q 0 函数实现、改变任务优先级由 o s t a s k c h a n g e p r i 0 0 函数实现、挂起任务由o s t a s k s u s p e n d 0 函数实现、恢复任 务由o s t a s k r e s u m e ( ) 函数实现。 3 p c o s i i 的任务调度 i t c o s i i 操作系统总是运行进入就绪态任务中 优先级最高的任务。它可以管理多达6 4 个任务，但目前的版本里已经有两个 任务被系统占用。一般来说用户可以使用从优先级4 到优先级 o sl o w e s tp r i o - - 4 一共5 6 个优先级。对于多任务的管理，“c o s i i 操作系 统是通过调度器完成了。其中任务级的调度是由函数o s s c h e d o 完成，而中断 级的调度是通过函数o s i n t e x i t 0 完成。这两个函数是很相似的，所不同的其 中一点就是o s s e h e d o 调用了任务切换函数o st a s ks w o ，而退出中断服务 子程序o s i n t e x i t 0 却调用的是o s i n t c t x s w 0 函数。这是因为中断服务子程序 已经将c p u 寄存器存入到中断了的任务的堆栈中，所以只需要恢复堆栈中的 内容即可。 l a c o s i i 操作系统是一个商业用的实时操作系统。这是因为它是可剥夺型 内核。可剥夺型内核是指当有高优先级任务到来时，不用等待低优先级的任务 执行完毕，可以直接切换到高优先级的任务执行，即高优先级任务可以剥夺低 优先级任务的c p u 的使用权。 对于i i c o s i i 操作系统定义的每一个任务，在创建任务之初，一定会给 这个任务分配一个合适的优先级。如果一个操作系统在调度算法选择上只是基 于优先级调度，即支持静态优先级，那么这个操作系统只是一个准实时操作系 统。而在l x c o s i i 操作系统中，任务的优先级是可变的，即支持动态优先 级。因此i x c o s i i 操作系统是一个实时操作系统。改变任务优先级的函数是 o s t a s k c h a n g e p r i 0 0 。 t c o s i i 的任务调度有以下几个特点： 1 i x c o s i i 是占先式实时多任务内核，优先级最高的任务一旦准备就绪， 则拥有c p u 的所有权开始投入运行。 2 i x c o s i i 不支持时自j 片轮转法，每个任务的优先级不一样且是唯一的， 所以任务调度的工作就是：查找就绪态最高优先级的任务并进行上下文切换。 1 2 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 3 “c o s i i 任务调度所花的时间为常数，与应用程序建立的任务数无关。 4 g c o s i i 的调度算法效率高，有两个关键：每个任务都有唯一的确定的 优先级；独特的查表调度方法。 i t c o s i i 之所以能应用查表法，这取决于i l l c o s i i 中就绪表的独特设 计。p c o s i i 中，每个任务被赋予了不同的优先级等级，每个就绪的任务都放 入就绪表中，就绪表有两个变量：o s r d y g r p 、o s r d y t b l 】。在o s r d y g r p 中，任务按优先级分组，8 个任务为一组。o s r d y g r p 中的每一位表示8 组任 务中每一组中是否有进入就绪态的任务。任务进入就绪态时，就绪表 o s r d y t b l 】中的相应元素的相应位也置位。就绪表o s r d y t b l 数组的大小取决 于o sl o w e s tp r i o ( 最低优先级) 。就绪表的结构如图2 3 所示。 任务的优先级 所在的位置 o s r d y t b i 【】中行的位置 图2 - 3 肛c o s i i 就绪表 f i g 2 - 3