（检测技术与自动化装置专业论文）基于osekvdx规范的车载嵌入式操作系统iamtosek研究.pdf

摘要 摘要 近年来，汽车电子系统在整车中所占的比例逐年增大，车辆的电子化水平已 经成为衡量现代汽车发展的重要标志之一。同时，汽车电子控制软件的开发面临 着复用性和兼容性缺乏的问题，尤其是车载操作系统等软件开发过程开销巨大。 不同厂商的产品之间兼容性差。因此，如何寻求一个通用标准，规范不同厂商生 产的汽车电子产品之间的兼容性和互通性，成为汽车电子行业转变开发方式、提 高生产效率、广泛建立合作的关键。 o s e k v d x 规范是一个开放式的体系结构，其主旨是从现有软件的移植性、 复用性、扩展性出发，用标准化的接口和协议来规范软件的模块化设计。该规范 的建立在一定程度上解决了汽车电子控制软件开发所面临的问题。国外对于 o s e k v d x 规范的研究走在前列，国内对o s e k v d x 规范尤其是对其嵌入式实 时操作系统规范o s e ko s 的研究和开发仍然处于起步阶段，因此，研究符合 o s e ko s 规范的实时操作系统，并最终开发出符合o s e k v d x 规范的车载嵌入 式平台，对推进我国汽车电子技术发展有重要意义。 本论文在中科院知识创新工程领域前沿项目“智能汽车关键技术预研”的支 持下，参照i tc o s i i 内核的架构，在对o s e l d x 操作系统标准进行深入研究 的基础上，建立适用于车载系统的符合o s e k v d x 规范的嵌入式操作系统内核 i a m t - o s e k ( 其中i a m t 为中科院先进制造技术研究所简称) ，着重针对任务管 理方式、优先级反转问题和警报管理等方面的功能进行研究和设计，并在 f r e e s c a l eh c s12 平台上进行实验和验证。 对i a m t - o s e k 内核的研究和设计工作主要包括：首先在任务管理方面，在 o s e ko s 关于任务优先级定义的基础上对任务调度算法进行改进，允许一个优 先级下定义多个任务，优先级不同的任务之间采用原来高优先级优先的调度方 式，优先级相同的任务采用先进先出( f i f o ) 的方法来处理，这样改进之后的 内核可以适用车载环境的一些高端应用；然后引入一种新的资源互斥解决方案一 优先级天花板协议，解决在实时操作系统中普遍存在的优先级反转问题，使我 们的操作系统内核能够在对时间要求严格的车载环境中高效工作；最后根据 o s e ko s 中警报管理的定义，给操作系统内核增添外围的警报管理功能，以满 足嵌入式控制系统处理周期性事件的需要。 本文最后将所设计的i 剐t - o s e k 内核在f r e e s c a l eh c s l 2 平台上实现，并编 写测试程序进行检验，操作系统的基本功能都通过了试验和测试，运行状况良好。 关键词：o s e k v d x 车载操作系统i a m t - o s e k 1 tc o s i i a b s t r a c t 一_ 一 a b s t r a c t r e c e n t l y ，t h ep r o p o r t i o no fv e h i c l ee l e c t r o n i cs y s t e mi n t h ew h o l ev e h i c l ei s i n c r e a s i n gy e a rb yy e a r ，t h ee l e c t r o n i cl e v e lo fv e h i c l e sh a sb e c o m ea l li m p o r t a n t m e a s u r ef o rt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mv e h i c l e m e a n w h i l e ，t h ed e v e l o p m e n to f v e h i c l ee l e c t r o n i cc o n t r o ls o f t w a r ei sf a c i n gs e r i o u si s s u e ss u c ha sr e u s a b i l i t ya n d c o m p a t i b i l i t y i np a r t i c u l a r ，d e v e l o p m e n to fv e h i c l eo p e r a t i n gs y s t e mc o s t sa 。l o t a n d t h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e np r o d u c t sf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r si sp o o r t h e r e f o r e ， t of i n dac o n l m o ns t a n d a r da ss p e c i f i c a t i o n sf o rc o m p a t i b i l i t ya n di n t e r o p e r a b i l i t yo f a _ u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sp r o d u c t sf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r si sc r u c i a lf o rt h ew h o l e i n d u s t r yt oi m p r o v ei t sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y o s e k v d xs p e c i f i c a t i o ni sag o o dm e t h o dt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，t h e s p e c i f i c a t i o ni s a l lo p e na r c h i t e c t u r e ，a n di t ss u b j e c ti st os p e c i f ys o f t w a r em o d u l a r d e s i mw i t hs t a n d a r d i z e di n t e r f a c ea n dp r o t o c o lb a s e do nt h ep o r t a b l e ，r e u s a b l ea n d e x p a n s i b l ef e a t u r eo fs o f t w a r e t h es t e po f r e s e a r c ho no s e k v d x a b r o a di si nf r o n t o fo u rc o u n t r y i nd o m e s t i c ，t h er e s e a r c hw o r ko no s e k v d xe s p e c i a l l ye m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e ms p e c i f i c a t i o no s e k o si sj u s ts t a r t i n g t h e r e f o r e ，d os o m e r e s e a r c ha n da t t e m p to no p e r a t i n gs y s t e m sc o m p l i a n tw i t ho s e ko s ，a n de v e n t u a l l y d e v e l o pv e h i c l ee m b e d d e dp l a t f o r mc o m p l i a n tw i t ho s e k v d x ，i si m p o r t a n tf o rt h e d e v e l o p m e n to fd o m e s t i cv e h i c l ee l e c t r i ct e c h n o l o g y t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sr e l y i n go i lf r o n t i e rp r o j e c to fk n o w l e d g e i n n o v a t i o n e n g i n e e r i n gf r o mi n s t i t u t eo fi n t e l l i g e n tm a c h i n e s ，c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ， b a s e do ng c o s i io sc o r ea n dd e e p l yr e s e a r c ho no s e k v d xo p e r a t i n gs y s t e m s p e c i t c a t i o n , t oe s t a b l i s hav e h i c l ee m b e d d e d o sc o r ei a m t o s e kw h i c hi s c o m p l i a n tw i t ho s e k v d xo p e r a t i n gs y s t e ms p e c i f i c a t i o n w ef o c u s o nt h er e s e a r c h a 1 1 dd e s i 昏lo ff u n c t i o n sl i k et a s ks c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，t a s ks w i t c hm e t h o d ，p r i o r i t y i n v e r s i o np r o b l e ma n dt i m em a n a g e m e n t ，a tl a s t ，w ed oe x p e r i m e n to nf r e e s c a l e h s c12p l a t f o r mt ov e r i f yi t t or e s e a r c ha n dd e s i g nas m a l l ，a u t o n o m o u s ，p r a c t i c a lv e h i c l ee m b e d d e d r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，w ec o n f o r mw i t ho s e ko ss p e c i f i c a t i o n a n dd os o m e i m p r o v ea n de x t e n s i o no ns o m ef e a t u r e so ft h es t r u c t u r eo fp c o s i io sc o r e t h e 缸s tp a r ti st a s km a n a g e m e n t w ei m p r o v et h et a s ks c h e d u l ea l g o r i t h mb a s e d o i lt h e d e f i n i t i o no ft a s kp r i o r i t yi no s e ko s ，d i f f e r e n tt a s k sc a l lh a v et h es a m ep r i o r i t y ， t a u s l ( so fd i f f e r e n tp r i o r i t i e sa r es c h e d u l e db yt h ep r i n c i p l eo fh i g h e s tp r i o r i t yf i s t ，t a s k s o ft h es 跚ep r i o r i t i e sa r es c h e d u l e db yt h ep r i n c i p l eo ff i r s ti nf i r s to u t ( f i f o ) t h u s ， n 1 a b s t r a c t _ _ 一一_ _ _ - _ 一 o u ro sc a nb ea p p l i e di ns o m ea d v a n c e dv e h i c l ee n v i r o n m e n t t h e n ，w ei n t r o d u c ea n e wr e s o u r c em u t u a l l ye x c l u s i v es o l u t i o n - p r i o r i t yc e i l i n gp r o t o c o l ，t o s o l v et h e p r i o r i t yi n v e r s i o np r o b l e mt h a tc o m m o ni n r e a lt i m eo s ，t h u s ，o u ro sc a nw o r k e f f i c i e n t l yi nt i m e l yv e h i c l ee n v i r o n m e n t a tl a s t ，b a s e do nt h ed e f i n i t i o no fa l a r m m a n a g e m e n ti no s e k o s w ea d dt i m e rm a n a g e m e n tf u n c t i o nt oo sc o r e ，t h e nt h e o sc a nm e e tt h en e e d so fd e a l i n gw i t hp e r i o d i ce v e n t si ne m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m s a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，w ep o r tt h ei a m t o s e kc o r ew ed e s i g n e do n t o f r e e s c a l eh c s12p l a t f o r m ，t h e nt e s tt h ep r o g r a m ，t h eb a s i cf u n c t i o no ft h i so sc a r l t h r o u g ht e s t i n ga n dv a l i d a t i o na n dp r o v edr u n n i n gw e l l k e yw o r d ：o s e k v d x ，v e h i c l eo p e r a t i n gs y s t e m ，i a m t - o s e k ，l a c o s i i i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：i 睑里 、p 签字日期：翌! ：兰：2 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签字日期：! ! = ! ：! ：呈 新躲当翰 签字日期：塑尘：生：艺 第1 章绪论 1 1研究背景 第1 章绪论 1 1 1 汽车电子发展现状及面i , t r - , - m i , 战 随着现代科技的发展，汽车已经不再是具有简单机电系统的交通运输工具， 而是基于微处理技术，并结合大量自动控制和计算机技术的智能机器。近年来， 汽车电子系统在整车中所占的比例逐年增大，车辆的电子化水平已经成为衡量现 代汽车发展的重要标志之一。 近十几年来，汽车工业技术的进步在一定程度上是汽车电子技术，特别是嵌 入式技术发展的结果。因此，未来汽车市场的竞争，必将是汽车电子化技术的竞 争。 目前，国外汽车电子系统已经占到汽车整体价格的2 0 ( 陈威，2 0 0 5 ) ，这 个比例仍在不断扩大。在广泛采用1 6 3 2 位微处理器的基础上，国外汽车电子系 统还增加了先进的传感装置，这使得汽车加强了与环境的交互，从单一的对自身 系统的控制扩展到对外部信息的获取和处理。每辆新车的电子控制系统研发投入 占整车的2 6 ，高档车的电子化趋势更是明显，有的甚至达到5 0 以上。 国内汽车电子行业也进入飞速发展时期，近年来，汽车电子产业生产总值的 年增长率已经超过5 0 ，汽车电子产品市场规模的不断扩大必将为汽车工业带来 新的增值空间，而汽车工业的发展又会推动汽车电子产业新一轮的飞速发展。 作为一个新兴的产业，汽车电子在我国的发展还存在着诸多问题。从技术投 入上来说，我国每辆车的电子产品投入为7 左右，仅占国外的四分之一。汽车 电子控制系统投资大，开发周期长，技术难度高，其自主开发是一项艰苦的工作， 但同时也是极具潜力的行业。随着国内相关企业和部门对汽车电子控制系统开发 的不断重视，我国的汽车电子产业化进程也将不断向前推进。 汽车电子控制产品开发面临的新问题： ( 1 ) 成本问题。汽车电子控制系统不断向前发展，其复杂性也在提高，开 发工作所需要的人力成本和时间成本都在急剧增加，随之而来的高强度工作压力 成为工程师们头疼的问题。据统计，截至目前，在每辆汽车上投入的时间和人力 已经是2 0 0 2 年的5 1 0 倍。 ( 2 ) 安全问题。汽车电子控制系统的复杂化和单个企业的垂直开发模式造 第1 章绪论 成了车辆可靠性方面的隐患，因此，最近因安全问题而频频出现汽车“召回”现 象，给用户和制造商带来了巨大的损失。 ( 3 ) 市场竞争。伴随着大量汽车电子产品的涌现，激烈的市场竞争迫使开 发商在最短的时间里推出高质量、高可靠性的汽车产品。因此，如何提高开发效 率、缩短开发周期、提高产品质量，成为各厂商抢占市场的关键。 上述三个问题都是由车用控制软件复用性和兼容性的缺乏造成的。在控制系 统的开发方面，虽然针对不同的产品其开发过程不同，但是每次开发过程又有许 多重复的工作，尤其是车载操作系统等软件，其开发过程开销巨大，重复的工作 导致大量的人力成本及时间的浪费，而且会带来不同厂商的控制软件之间兼容性 差的结果。 以上问题的根源在于汽车电子领域里没有一个统一的规范，因此，如何建立 一个通用标准，规范不同厂商生产的汽车电子产品之间的兼容性和互通性，成为 汽车电子行业转变开发方式、提高生产效率、广泛建立合作的关键。 1 1 2 嵌入式实时操作系统研究现状 作为车载应用软件的基础和开发平台，车载嵌入式实时操作系统的应用提高 了车控软件的开发效率。实时多任务操作系统( i 江o s ) 也是当前嵌入式应用领 域的发展趋势之一，其研究几乎是随着嵌入式系统的出现而开始的。从系统结构 上看，实时操作系统到现在经历了如下三个阶段( 孔祥营等，2 0 0 2 ) ： ( 1 ) 早期的实时操作系统 早期的实时操作系统还不能称为真正的实时操作系统，它只是小而简单的、 带有一定专用性的软件，功能较弱，可以认为是一种实时监控程序。一般为用户 提供对系统的初始化管理以及简单的实时时钟管理，有的实时监控程序也引入了 任务调度及简单的任务间协调等功能。这个时期，实时应用较简单，实时性要求 也不高。应用程序、实时监控程序和硬件运行平台往往是紧密联系在一起的，其 开发工具也很简单，主要用于创建和调试软件。由于编译器经常有很多错误而且 也缺乏功能强大的调试器，这些软件差不多总是用汇编语言或宏语言来编写。 ( 2 ) 专用实时操作系统 随着应用的发展，早期的实时操作系统己越来越显示出明显的不足。有些实 时系统的开发者为了满足实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时操 作系统。许多专用实时操作系统是用汇编语言实现的，并且仅能用于为其编写的 微处理器上。当这些微处理器变得过时的时候，它们使用的操作系统也面临着相 同的厄运，只能在新的处理器上重新写一遍才能运行。这些专用实时操作系统是 早期用户为满足自身需要而研制的，一般只能适用于特定的硬件环境，且缺乏严 2 第1 章绪论 格的评测，移植性也不是很好。 ( 3 ) 通用实时操作系统 在各专用实时操作系统中，一些任务的机制如基于优先级的调度、实时时钟 管理、任务间的通信、同步互斥等基本上是相同的，不同的只是面向其硬件环境 和应用目标。实际上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以把这部分很好 的组织起来，形成一个通用的实时操作系统内核。 c 语言出现后，可以用一种高效、稳定和可移植的方式来编写操作系统。这 种方式对使用和经营有直接的吸引力，因为它承载着人们当微处理器废弃不用时 还能保护他们软件投资的希望。用c 来编写操作系统己经成了一种标准直至今 天。总之，软件的可复用性已经为大家所接受而且正在很好地发挥作用。 嵌入式应用的复杂化直接促使了实时操作系统的发展，其相关研究也普遍开 展。目前，实时操作系统的研究方向主要集中在如下三个方面： ( 1 ) 实时操作系统的标准化 如今国际上实时操作系统的主要开发商有数十家，提供了上百个实时操作系 统。它们各具特色，但这也给应用开发者带来了难题，首先是应用代码的复用性， 当选择不同的实时操作系统开发时，不能保护用户已有的软件投资。因此，实时 操作系统的标准化研究越来越被重视：美国i e e e 协会在u n i x 基础上，制定了实 时u n i x 系统的标准p o s i x l 0 0 1 4 系列协议；汽车工业界于1 9 9 5 提出了适用于汽车 应用软件的实时操作系统标准川s e l d x 操作系统规范。 ( 2 ) 多处理器结构实时操作系统和分布式实时操作系统 实时应用系统的飞速发展对实时操作系统的性能提出了更高的要求。单处理 器的计算机系统已不能很好地满足某些复杂实时应用系统的需要，开发支持多处 理器结构的实时操作系统已经成为发展趋势。这方面比较成功的系统有p s o s 等。 至于分布式实时操作系统，国外一些厂家虽已推出部分产品，如q n x c h o r u s p l a n 9 等，但分布式实时操作系统的研究还未完全成熟，特别是在网络实时性和 多处理器间任务调度算法上还需进一步研究。 ( 3 ) 集成开放式实时系统开发环境 实时操作系统研究的另一个重要方向是集成开发环境的研究。开发实时应用 系统，只有实时操作系统是不够的，需要有集编辑、编译、调试、模拟仿真等功 能为一体的集成开发环境的支持。开发环境的研究还包括网络上多主机间协作开 发与调试应用技术的研究、实时操作系统与环境的无缝连接技术等。 实时操作系统的出现大大解放了开发人员，在这种新的系统设计思想和开放 式的软件框架下，各个程序员可分别编写任务，不仅减少了工作量，更是降低了 出错的可能性，并为最终程序的可靠性提供了保证。通常，一个实时操作系统都 第l 章绪论 要求是可裁剪可配置的，根据不同的应用环境和应用领域，其组成有所不同，但 一些基本的组成是不变的，如：系统内核、存储管理、文件管理、网络组件等。 实时操作系统的基本体系结构如图所示： 应用程序 应用程序接口 文件管理l 网络模块 基本 内存管理i 。陌确措 h 扩展 7 【：。) ，ji 7 c 。y 模块接口 进程调度 o s 内核 数据库模块 驱动程序、硬件抽象层、板级支持包 硬件 1 2 研究目的及意义 图1 1 实时操作系统体系结构 汽车行业在世界范围内的竞争日益激烈，随着汽车电子产品在车辆中所占比 重的增加，汽车电子及控制软件已成为各大厂商竞争的新焦点。由汽车电子控制 产品开发面临的新问题可以看出，提高车控软件的复用性、兼容性已经成为当前 工作的重点，因此，在汽车电子领域建立统一的规范就显得尤为重要。 2 0 世纪9 0 年代，欧洲汽车行业提出了用于汽车控制单元的开放式分布式控制 标准o s e k v d x ( o f f e n es y s t e m eu n dd e r e ns c h n i t t s t e l l e nf u rd i ee l e k t r o n i ki m k r a f t f a h r z e u g v e h i c l ed i s t r i b u t e de x e c u t i v e ) ( d i r kj o h n ，19 9 8 ) 。该标准是一个开 放式的体系结构，综合了欧洲各个国家汽车行业的先进技术，为各种先进汽车电 子部件有机结合起来的网络化嵌入式系统提供了开发规范，其主旨是从现有软件 的可移植性、可复用性、可扩展性出发，用标准化的接口和协议来规范软件的构 件化、模块化设计，同时，还允许把不同厂商的不同模块集成在相同的汽车电控 系统中，有效的适应了汽车电子发展的需求。 o s e k v d x 规范的确立为国际汽车工业带来了深远的影响，各种汽车电子控 制系统朝着兼容化，互通化的方向发展，为各个研究机构的研究成果在同一平台 上交流竞争提供了机会，同时，硬件制造商和软件开发商能够以更大的自由度进 行汽车电子控制系统的研发，从而共同推动汽车电子行业的发展。 4 第1 章绪论 许多汽车制造厂商已经开始按照o s e k v d x 规范，联手开发汽车电子控制软 件，尤其是控制系统的基础软件，将其实现标准化并提高互通性，从而降低软件 的开发成本。 目前，国外已经通过o s e i 洲d x 规范认证的实时操作系统有： ( 1 ) o s e k t u r b oo s f 扫m e t r o w e r k s 公司开发，是一个快速、可靠、可扩展的小型实时操作系统， 同时支持8 位，1 6 位，3 2 位微处理器，并符合最新的o s e k 开放式系统标准，满 足了嵌入式系统对高性能的要求。 ( 2 ) n u c l e u so s e k 眭t a c c e l e r a t e d t e c h n o l o g y 公司开发，具有以下特点：它全面体现了 o s e k v d x 标准；满足所有的符合类要求；实现了多种调度策略；完成报警功能 并完善用户定义计数器。 ( 3 ) o s c a n 由德国v e c t o r 公司开发，是一个多任务操作系统，能够将最优性能体现在微 控制器的使用上，内核小且速度快，用完全抢占式思想，可静态配置，能够为任 务提供控制优先级的管理和多种同步机制。 ( 4 ) o s e k w o r k s 由美国w i n dr i v e r 公司开发，具有模块性，灵活性和高性能的特点。对于不 同的应用，o s e k w o r k s 可根据o s e k a d x 进行裁剪，最优化r a m 、r o m 的使用。 ( 5 ) p i c o s l 8 针对m i c r o c h i p 公司的p i c l8 f 系列单片机设计的一个嵌入式实时操作系统。 ( 6 )e r c o s e k 这是一个硬实时操作系统，以c 函数库的形式实现。应用在汽车行业的多个 大规模项目里，实践验证了其可靠性。 目前，符合o s e k v d x 规范的汽车电子开发平台的研究已经成为我国的一个 重大研究项目。用o s e k v d x 标准规范汽车电子产品的研究和开发，促进我国汽 车电子乃至整个汽车行业的整体发展，并打入国际市场，是我国汽车生产所面临 的一项重要任务。中科院、浙江大学、清华大学、同济大学、上海交通大学等高 校和研究机构都已经开展了对o s e l 洲d x 规范的研究。但是总体来讲，目前我国 对该规范的研究和应用都处于初级阶段。 清华大学多能源动力总成控制系统课题组在其自主开发的基于m p c 5 5 5 的 b m w 5 5 5 评估板上初步设计实现了“清华o s e k 车用嵌入式实时操作系统”( 张 保民等，2 0 0 4 ) ，但这个系统在实时性和存储性能上有待于进一步的改善。 目前，在符合o s e k v d x 规范的操作系统的研究和应用方面，国内比较成功 第1 章绪论 的是浙江大学在8 6 3 软件重大专项支持下开发的s m a r t o s e ko s ( 郁利吉，2 0 0 7 ) ， s m a r t o s e ko s 以m o t o r o l am p c 5 5 5 系列芯片为基础运行平台，提供以优先级置 顶协议为主的资源管理方法，能够避免优先级反转，并利用定时器实现周期性激 活任务、触发事件等功能，其操作系统内核小于9 k 。目前s m a r t o s e ko s 已经发 展n 3 0 版本，并且是国内唯一通过o s e k 国际认证的实时操作系统。 国外对于o s e k v d x 规范的研究走在我国的前列，但出于商业利益，这些 公司并不提供其核心技术的源代码。而国内对o s e k v d x 规范的研究尤其是对 其嵌入式实时操作系统规范的研究和开发仍然处于起步阶段，因此，在符合 o s e k v d x 规范的实时操作系统方面进行相关的研究，并最终开发出符合 o s e l 洲d x 规范的车载嵌入式平台，对推进我国汽车电子技术的发展有重要意 义。 1 3 论文的内容和组织 本论文在中科院知识创新工程领域前沿项目“智能汽车关键技术预研 的支 持下，以1 tc o s i i 的内核为基础，在深入研究o s e k v d x 操作系统标准的基础 上，建立适用于车载系统并符合o s e k v d x 规范的嵌入式操作系统内核 i a m t - o s e k ，并在实验平台上进行验证和测试。论文总共包括五章，结构如下： 第一章主要介绍课题研究背景，包括汽车电子发展现状、面临挑战、嵌入式 实时操作系统的研究现状，以及课题的研究目的和意义。 第二章主要介绍了用于汽车控制单元的开放式分布式控制标准0 s e l 洲d x ， 着重分析其操作系统规范( o s e ko s ) 的体系结构和运行机制。 第三章研究基于uc o s i i 内核的o s e i t a s k 2 t a s k 3 t a s k 4 ，开始时任务t a s k l 、t a s k 2 、t a s k 3 处于挂起状态，而t a s k 4 正在运行并 且占用资源s 1 ：然后t a s k l 、t a s k 2 、t a s k 3 同时就绪，由于t a s k l 优先级最高，抢先 运行，此时t a s k 2 、t a s k 3 、t a s k 4 均处于就绪状态；t a s k l 运行中申请访问资源s 1 ， 由于资源被t a s k 4 占用并且暂时没有释放，这时t a s k l 的资源访问请求无法满足， 致使t a s k i 放弃运行，进入等待状态，而此时由于t a s k 2 、t a s k 3 的优先级都高于t a s k 4 ， 因此t a s k 2 、t a s k 3 按照顺序执行直至结束；之后任务t a s k 4 开始执行，直到运行结 柬释放资源s l ，这时任务t a s k l 访问资源的申请才得到满足，抢占t a s k 4 运行。 防p 1 费鞭s i 侠帔 t a s k l 挂起 t a s k 2# 起 t a i l c 3 挂8 * ；二：一- 占用资源s 田2 7 优先级反转示意囝 释放资源s 在这种情况下，因为t a s k l 要等待t a s k 4 释放占有的共享资源s l 才能执行，实 际上，t a s k l 的优先级降至和t a s k 4 相同的水平。而t a s k 2 、t a s k 3 抢占了t a s k 4 的处理 器占用权，使得t a s k l 的状况更加恶化，这样就增加了额外的延迟时间。此时，就 叫做t a s k l 和t a s k 2 、t a s k 3 的优先级发生了反转。 为了避免发生优先级反转和死锁问题，o s e ko s 标准规定了o s e k 资源优先 级天花板协议( t h eo s e k v d xg r o u p ，2 0 0 5 ) ： 在系统生成阶段，为每个资源静态设置天花板优先级。这个优先级数值 要大于等于所有访问该资源的任务的优先级中的最大值。 1 6 第2 章o s e k v o x 规范研究与分忻 一个任务获得某个资源，如果该任务的优先级比资源的天花板优先级小 则把该任务的优先级提升至和资源的天花板优先级相等。 在任务释放资源的时候，必须将任务的优先级恢复至其原始水平。 t 豳闼 许 翻匿圈 资游s 至墅 萋霪函霾噩二= | 圈 豳瞄艇 舅鳃隧 申请资源s l 圈28 优先级天花板协议示意母 匿 o s e k 资源优先级天花板如图28 所示，任务t a s k 0 的优先级最高， t a s k l t a s k 2 t a s k 3 t a s k 4 ，而资源s 1 的优先级介于t a s k 0 和t a s k l 之间。依旧是任务 t a s k 4 最开始运行，并占用资源s l ，此时就把t a s k 4 的优先级提升到资源s 1 的优先 级。显而易见，在任务t a s k l 、t a s k 2 、t a s k 3 就绪的时候，它们无法抢占t a s k 4 ，但 是当t a s k 0 就绪时，可以抢占运行，直至运行完毕；t a s k 4 运行结束释放资源s 1 ， 优先级恢复到其原始优先级，这个时候，t a s k l 的资源占用申请才得到满足，然 后抢占运行，t a s k l 执行完毕后，t a s k 2 、t a s k 3 相继运行，显然，t a s k l 最多只会 在任务乜s “占用资源s l 这段时间被阻塞，而不会出现t a s k 2 、t a s k 3 在任6 5 - t a s k l 之 前运行的情况。这样，就成功解决了优先级反转的问题。 ( 5 ) 计数与警报管理 警报管理是o s e ko s 为了处理应用程序汇总与循环事件相关的一些问题而 设置的。计数器是警报管理的基础。实际上，一个计数器就是一个计数值( 一般 的计数嚣都是一个常量) ，它以脉冲为度量。o s e k o s 并没有提供一个标准的 a p i 来直接实现计数，只是考虑到了一些警报管理的方法如引入计数器的时机， 引入计数器的方法等，o s e ko s 至少提供一种来源于定时器( 硬件定时器或软 一 一i 嬲 一 洲 一 一 资 第2 章o s e k v d x 规范研究与分析 件定时器) 的计数器。 当一个警报器时间期满的时候，根据o s e ko s 提供的一些服务来激活任务、 设置事件或是调用一个警报器反馈程序。警报器反馈程序是用户应用程序提供的 小函数，当达到预先设置的计数器的值时，这个警报器就期满了。计数值可以是 相对计数器值( 相对警报器) 和绝对计数器值( 绝对警报器) ，比如，一个警报 器可能是接收到一个定时器中断，到达某个特定的点或接收到某个消息期满。 警报器可以定义为单报警器或周期报警器，操作系统提供了结束警报器或取 得警报器当前状态一些服务，系统生成的时候，警报器可以分配给一个计数器、 任务或是一个警报器反馈函数，在警报器期满的时候是调用反馈函数，激活一个 任务，还是为这个任务设置一个事件，都由具体的配置来决定。警报器期满时， 内部任务的激活与事件的处理和正常的事件激活与处理有相同的属性。定时器和 警报器均为静态定义，同时，把警报器分配给一个定时器和当警报器期满时执行 的具体内容也都是静态定义的，动态变量用于决定警报器何时期满的定时器值， 以及周期警报器的周期值。 1 8 第3 章基于uc o s i i 内核的i a m t - o s e k 操作系统设计 第3 章基于uc o s - l l 内核的ia m t - o s e k 操作系统设计 3 11 - 1c o s - l | 操作系统机制 uc o s i i 是一个完整的，可移植、固化裁剪的占先式实时多任务内核。由 a n s i 的c 语言编写，包含- 4 , 部分汇编语言代码，使之可供不同架构的微处理器 使用。至今，从8 位至1 j 6 4 位，pc 0 s i i 已在超过4 0 种不同架构的微处理器上运行， 在世界范围内得到了广泛的应用，这些领域包括：照相机行业，航空业，高端音 响，医疗器械，电子乐器，发动机控制，网络设备，高速公路电话系统，自动提 款机及工业机器人等。很多高等院校将l - tc o s i i 用于实时系统教学( j e a n j l a b r o s s e 著，邵贝贝等译，2 0 0 3 ) 。 3 1 1uo o s - | l 任务管理 ( 1 ) 任务定义 通常情况下，uc o s i i 的任务定义为无限循环，任务函数无返回。开始执 行任务时，一个指向v o i d 的指针被传递给用户代码，以使得用户应用程序可以向 该任务传递任何类型的参数。任务结束后，可自行删除。 i ic o s i i 可管理的任务数最多为6 4 个，每个任务必须被赋以不同的优先级， 优先级的数字与优先级别成反比，即优先级数字越低，任务的优先级别就越高。 uc o s i i 总是运行进入就绪状态的优先级最高的任务。任务的优先级号唯一确 定了任务编号( 任务i d ) 。优先级号也会被系统函数所调用，如在改变任务优先 级时调用的函数o s t a s k c h a n g e p r i 0 0 及删除任务时调用的函数o s t a s k d e l 0 等。 ( 2 ) 任务状态 1 tc o s i i 控制下的任务状态转换图如图3 1 所示，在任务生存期内，其状态 在以下五种状态之间转换： 1 9 第3 章基于1 tc o s 1 i 内核的i a m t - o s e k 操作系统设计 任务删除 等待 事件j 延时 等待 b ! 堡：望弋堡箜塑壅掣! 弋垄竺! 一 j r 、咝! 堡户，l _ 堡箜鸟，l 、弋垄竺! 一 睡眠 )( 就绪 )( 运行 )( 中断 任务删除 图3 1u c o s i i 任务状态转换 睡眠态：指任务仍然停留在程序空间( r a m 或r o m ) ，并没有交给操作 系统来管理，通过创建任务的函数可以实现把任务交给pc o s i i 来管理的功能。 就绪态：任务在建立之后就转入了就绪态，等待被调用。在多任务的情 况下，任务也可以被一个正在运行的任务动态的创建。 运行态：通过调用o s s t a r t o i 函数可以启动任务，此函数只能在操作系统 启动时调用一次，运行进入就绪状态的优先级最高的任务。这样，优先级最高的 任务就进入了运行态。 等待状态：运行中的任务可以通过调用函数o s t i m e d l y o 将自身延迟一段 函数中定义的延迟时间，进入等待状态，同时强制执行任务切换，让下一个进入 就绪状态的优先级最高的任务开始运行。 中断服务态：在任务或l ac o s i i 未关闭中断的情况下，正在运行的任务 是可以被中断的，中断之后进入中断服务态，此时，正在执行的任务被挂起，系 统开始执行中断服务子程序。 当所有的任务都在等待事件发生或等待延迟时间的结束时，i lc o s i i 执行 一个叫做空闲任务的任务，臣p o s t a s k l d l e o 。 ( 3 ) 任务控制块 任务控制块( o st c b ) 是一个全部驻留在r a m 中的数据结构，在任务建立 时被赋值，当任务的中止运行转入就绪或等待态时，l ac o s i i 用任务控制块来 保存该任务的当前状态。当任务重新开始运行时，任务控制块可以保证任务从被 中断的那一点继续开始执行。 在1 , 1c o s i i 初始化时，所有任务控制块以单向链表的形式链接起来，在任 务建立以后，空任务控制块指针指向的任务控制块便赋值给该任务，然后空任务 控制块指针指向链表中下一个空闲任务的任务控制块。在任务被删除以后，任务 控制块在任务链表的相应位置要置空。 第3 章基于uc o s i i 内核的i a m t - o s e k 操作系统设计 0 s t c b f r e e l i s t 图3 2 空任务控制块链表 ( 4