（计算机应用技术专业论文）面向汽车电子控制的嵌入式操作系统内核研究及应用.pdf

独创性声明 俐洲f f 刖洲删 y 18 2 4 7 芝。 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庭 蜜电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：夕，圾 签字日期： 知。尹年，月文。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽鱼电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庞自鱼太堂可以将学位论文的 全部或部分内容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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：夕亭 船 新虢考碉 签字日期： 扣歹年 罗月a 。日 签字日期：玉彳年 r 月a a 日 重庆邮电在学硕士论文搞要 摘要 随着汽车电子嵌入式技术的迅速发展和广泛应用，汽车电子对嵌入式操作系 统的需求也越来越紧迫。在我国，汽车电子嵌入式操作系统开发起步较晚，且技 术难度较大，已经成为制约我国汽车电子发展的瓶颈。近年来，为了满足汽车电 控技术领域对嵌入式实时操作系统的需求，我校汽车电子与嵌入式系统研究所在 国家项目的支持下，研究开发出了基于o s e m x 标准的汽车电子嵌入式操作系 统a u t o o s e k ，并将其应用于汽车电子控制嵌入式软件开发。但是，最初的 a u t o o s e k 操作系统内核处理机制、代码实现等不够完善，使得系统实时性、可靠 性较差，操作系统内核较大。本论文依据o s e k ，、l r d x 标准，对操作系统a u t o o s e k 在内核处理机制、程序代码设计等方面，进行了进一步的改进和优化，设计出更 加安全、可靠、高效的嵌入式实时操作系统。本论文的主要内容包括： 1 论文首先介绍了嵌入式实时操作系统的基础理论和基本特点，并通过对当 今几款主流嵌入式实时操作系统的分析研究，介绍其基本的内核实现机制和关键 技术点。 2 通过对o s e l d x 标准和原版a u t o o s e k 内核管理机制的分析与研究， 对a u t o o s e k 操作系统内核管理机制进行优化与设计，如处理级设计、一致类设 计、任务管理机制设计、任务同步机制设计、系统定时机制设计等。 3 在a u t o o s e k 操作系统采用的任务管理和调度机制，以及为其服务的任务 同步机制和报警机制基础上，设计并完善内核管理机制，如任务管理机制、死锁 管理机制、优先级反转的预防机制等，完善了操作系统功能，提高了内核性能。 4 通过分析a u t o o s e k 操作系统内核，对基于a u t o o s e k 操作系统的嵌入式 软件开发方法进行研究，成功实现了其在汽车制动防抱死系统( a b s ) 、汽车发动机 仿真平台及电子节气门控制系统上的应用。 本论文中，优化了内核实现代码；提出并实现了更加可靠的补偿任务调度算 法；实现了资源的天花板管理方法；采用了更合理的任务堆栈方法。提高了 a u t o o s e k 操作系统的可靠性、实时性、小内核等性能。 关键词：汽车电子，嵌入式系统，o s e l 洲d x 标准，a u t o o s e k ，a b s 重庆邮电在学硕十论文 a b s 缸_ a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d e l yu s i n go fa u t o m o t i v ee l e c t r o l l i c se m b e d d e d t e c h n o l o g y ，t h en e e d so f 锄b e d d e dc o n t r o ls o 胁a r ei na u t o m o t i v ee l e c 仃o n i c sb e c o m e m o r ea n dm o r ep r e s s i n g i i lo u rc o u n t 巧，t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dc o n t r o ls o f h a r e i na u t o m o t i v ee l e c t i o n i c ss t a r t sl a t e ra l l di so f 乒e a td i m c u l t y t h ea b o v em e n t i o n e dh a s b e c o m et h eb o t t l e n e c ko fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s r e c e n t l y ，i ti so n ek e ya s p e c to ft h e n a t i o n a la s s i s t a n t i no r d e rt om e e tt h ed e v e l o p m e n tn e e do fe r 玎【b e d d e ds y s t e m ，a a u t o m o t i v ee l e c t r o m c se m b e d d e d0 p e r a t i n gs y s t e m ，a 1 1 dw i t ht h e s u p p o r to fn a t i o n a l p r o j e c t s ，o u ru n i v e r s i t y a u t o m o t i v ee l e c t r l 3 1 1 i c sa n de m b e d d e ds y s t e m sr e s e a r c h i i l s t i t u t e ， h a sb e e nd e v e l o p e dae m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do n o s e i 巾xs t a n d a r d 孤dn a m e da m o o s e k ，a 1 1 d 印p l i e di n t os o 胁a r ed e v e l o p m e i l to f a 吡o m o t i v ee l e c t i - o n i c se m b e d d e dr e a l t i m ec o n t i 0 1 b u tt h el i m i t a t i o no fi n i t i a la u t o o s e ki nk e m e lm e c h a i l i s m sa i l dc o d e i n l p l e m e n t a t i o nm a 玉( es y s t e mr e a l 一t i m ep e r f o m a n c ea 1 1 dr e l i a b i l i t yp o o r c ra n do p e r a t i n g s y s t e mk e m e ll a r g e r b a s e do no s e k v d xs t a l l d a r d ，t h i sa r t i c l ec a 盯yo u tm n h e r i m p r o v e m e n t sa i l do p t i r n i z a t i o nk e m e l i m p l e m e i l t a t i o nm e c h 枷s m sa l l dd e s i 印p r o 铲a m c o d ei nm ec o r eo ft h e 0 p e r a t i n gs y s t e m ， a i l dam o r c s e c u r e ， r e l ia _ b l e a 1 1 d h i g h - p e r f b r n l a n c ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d t h en l a i nc o n t e n t si n c l u d e ： f i r s t l y ，t h eb 勰i st h e o r ya l l db 嬲i sc h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r “n g s y s t e m a r es u i l 珊撕z e di i l “sp 印e r a n dt h r o u 曲a 1 1 a l y s i ss e v e r a lo ft o d 叫s m a i n s t r e a me m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m s ，p r e s e n t a t i o n o ft h eb a s i c m e c h a n i s m so ft h ek e m e la n dk e yt e c l l n o l o 西e s s e c o n d l y ，t h r o u 曲d e 印l ya i l a l y z i n go s e k 帅xo p e r a t i n gs y s t e ms t a n d a r d a n d m a n a g e m e mm e c h a n i s m o ft h ei i l i t i a l a u t o o s e k ，o p t i m i z i n g 锄d d e s i g n m e m a l l a g e m e n tm e c h a i l i s m so fa u t o o s e k sk e m e l ，s u c h 勰d e s i 印o fp r o c e s s i n g l e v e l s ，c o n f o m l a n c ec l a s s e s ， t a s k m a n a g e m e n tm e c h a l l i s m ， t a s k s y n c h i d n i z a t i o n m e c h a i l i s m ，t i m i n gm e c h a i l i s ma i l ds oo n t h i r d l y ，b a s e do nm et 嬲km a l l a g e m e n ta n ds c h e d u l i n gm e c h a i l i s mo fa u t o o s e k ， 嬲w e l la sm es y n c h r o n i z a t i o nm e c h a i l i s ma 1 1 da l 锄m e c h 疵s m ，d e s i g na n dp e r f e c t m a n a g e m e n tm e c h a i l i s m ，s u c h 蕊t a s km a n a g e m e n t ，d e a d l o c km a n a g e m e n tm e c h a n i s m ， l i 重庆邮电在学硕士论文 a b s 仃a c t t h ep r e v e n t i o no fp r i o r i 够i n v e r s i o nm e c h a n i s m st oi m p r 0 v et h e0 p e r a t i n gs y s t e m 重庆邮电在学硕士论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 汽车电子嵌入式操作系统的发展现状和趋势1 1 2 课题的研究背景及意义3 1 3 论文的主要工作4 1 4 论文的组织结构5 第二章嵌入式实时操作系统6 2 1 嵌入式实时操作系统理论6 2 1 1 嵌入式实时操作系统概念6 2 1 2 嵌入式实时操作系统结构6 2 2 嵌入式实时操作系统特征7 2 3 主流嵌入式实时操作系统关键技术点8 2 4 嵌入式实时操作系统内核实现机制9 2 4 1 通用嵌入式实时操作系统内核实现机制9 2 4 2 基于o s e m x 标准的嵌入式实时操作系统l o 2 5 小结1 1 第三章a u t o o s e k 操作系统总体结构设计1 2 3 1a u t o o s e k 操作系统结构分析1 2 3 2a u t o o s e k 操作系统的功能特性1 3 3 3a u t o o s e k 操作系统构架1 3 3 3 1 处理级1 3 3 3 2 一致类1 4 3 3 3 任务管理机制1 4 3 3 4 任务同步机制1 7 3 3 5 定时机制。1 9 3 4 小结2 0 第四章a u t 0 0 s e k 操作系统内核研究与实现2 1 4 1 任务管理与调度2 1 4 1 1 任务控制块管理2 l 4 1 2 建立任务2 3 4 1 - 3 任务调度机制的实现。2 3 i v 重庆邮电在学硕士论文目录 4 2 事件管理2 9 4 3 资源管理3 2 4 3 1 资源优先级3 2 4 3 2 天花板协议3 2 4 3 3 死锁3 3 4 4 报警和计数管理3 6 4 5 中断管理3 8 4 5 1a u t o o s e k 操作系统中断实现过程3 8 4 5 2 中断内存管理方法3 9 4 6 卅、结4 0 第五章a u t 0 0 s e k 操作系统的应用研究4 l 5 1a u t o o s e k 操作应用特性及特点4 1 5 2a u t o o s e k 操作系统的应用4 2 5 2 1a b s 控制系统的需求分析4 3 5 2 2a u t o o s e k 操作系统移植4 4 5 2 3a u t o o s e k 操作系统配置4 6 5 2 4a b s 控制系统的应用程序4 9 5 2 5a b s 系统的控制效果4 9 5 3a u t o o s e k 操作系统应用结果分析5 0 第六章总结及未来的工作5 1 6 1 总结51 6 2 未来的工作5 1 致 射5 3 攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果5 4 参考文献5 5 v 重庆邮电在学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车电子嵌入式操作系统的发展现状和趋势 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、 系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等【l 】。嵌入式实时 操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了三个比较明显的阶段【2 。3 】： 第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，通过汇编语言编程对系统进行直接 控制，运行结束后清除内存。系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储 容量较小，几乎没有用户接口，比较适合于各类专用领域中。 第二阶段：以嵌入式c p u 为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。c p u 种 类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作系统 具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用 来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段：嵌入式实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系 统。能运行于各种类型的微处理器上，兼容性好；内核精小、效率高，具有高度 的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形 窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口a p i ；嵌入式应用软件丰富。 近十年来，嵌入式实时操作系统得到了飞速的发展，从支持8 位微处理器到 1 6 位、3 2 位甚至6 4 位，从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器 芯片，从只有实时内核到除了内核外还提供其他功能模块。如：高速文件系统、 t c p d 网络系统、g u i 系统等。据统计，目前世界各国有4 0 多家公司，已成功地 推出了2 0 0 余种可供嵌入式应用的实时操作系统，而且仍有一半的开发者使用白 行开发的嵌入式操作系统【4 】。 汽车电子嵌入式系统的灵魂就是基于汽车电子的嵌入式实时操作系统。嵌入 式操作系统在实现汽车电子如动力总成等的集中控制后，是所有汽车子嵌入式系 统应用软件运行的平台，它的发展状态直接影响到汽车电子嵌入式系统的发展水 平。如今，汽车电子开放系统及其接口的软件标准( o s e 舳x ) 体系在国际汽车工 业界日益占据主导地位。 o s e k ( o p e ns y s t e m sa l l dc o r r e s p o n d i n gi i l t e r f - a c e sf o ra u t o m o t i v ee l e c t r o i l i c s ) 的 中文意思是汽车电子的开放系统及相应的接口，它是分布式汽车控制单元开放体 重庆邮电在学硕士论文 第一章绪论 系结构的工业标准，v d x ( v e t l i c l ed i s t r i b u t e de x e c u t i v e ) ，即车辆分布执行方法， 各软件生产厂都相继推出了符合o s e k d x 标准的产品【孓。7 1 。如国外公司开发的 o s e k t u r b o 、o s c a n 、o s e k w b r k s 等【8 - 9 1 。 最近几年国内包括清华大学、浙江大学在内的高校和科研机构也开始从事基 于o s e 啪x 标准的嵌入式实时操作系统的研究工作【1 0 1 1 】，但目前还都普遍处于 概念产品的阶段，需经历一个根据实际应用不断完善的过程。重庆邮电大学汽车 电子嵌入式系统实验室也在o s e m x 标准的基础上，开发出了具有自主知识产 权的操作系统a u t o o s e k 操作系统。 基于o s e l d x 标准的嵌入式实时操作系统已在b m w ，d a i m l e r c h r y s l e r ， a d 锄o p e l ，r o b e rb o s c h 等厂商的汽车电子产品得到较好的应用【8 1 。通过使用基 于o s e k 标准的嵌入式实时操作系统，较好的提高了不同芯片间的协调工作能力， 并为软件开发者提供统一的编程接口；同时，提高了软件的复用性，从而降低了 车用软件的开发成本，缩短了开发时间。 结合汽车电子的发展需求，汽车电子嵌入式操作系统及其应用开发环境的发 展动向是： 1 ) 汽车网络分为车身局域网和车载互联网【12 1 ，汽车电子嵌入式操作系统将与 汽车网络的发展用相互促进，快速发展。随着车身网络的快速发展，汽车电子嵌 入式操作系统内核中也必然要支持车身局域网协议，如c a n 协议、l i n 协议、 f l e x r a y 协议等，和支持互联网协议，如t c p p 等【”】。 2 ) 由于汽车电子对系统的严格要求，汽车电子嵌入式操作系统正向实时超微内 核方向发展。近几年来，国外发展了一种基于微内核思想设计的精巧的嵌入式微 内核，即实时超微内核。超微内核是一种非常紧凑的基本内核代码层，为嵌入式 应用提供了可抢占、快速且确定的实时服务。在它的基础上，可以灵活地构造各 种类型的、与现成系统兼容的、可伸缩的嵌入式实时操作系统。因此，能满足应 用代码的可重用性和可扩展性的需求，这种超微内核技术也将应用到汽车电子上。 3 ) 汽车电子嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，如电机控制、汽 车制动防抱死( a b s ) 控制、电子节气门控制等，随着汽车电子嵌入式系统的广 泛应用，信息交换、资源共享机会增多，与此相关的标准问题也将日渐突出，如 何建立相关标准将成为业界关注的问题【悼1 5 】。 4 ) 开发环境向开放性、集成化的方向发展【1 6 】。由于汽车电子嵌入式应用软件 的特殊要求，往往要求应用程序设计者具有一定的嵌入式操作系统的专门知识， 能合理地划分任务、合理地配置系统以及目标联机的调试。因此，要设计实现一 个高性能的实时应用软件，需要强有力的交叉开发工具系统的支持。国外十分重 视发展与实时操作系统配合的汽车电子嵌入式应用的集成开发环境，现已发展到 2 重庆邮电在学硕士论文 第一章绪论 第三代，如o s e 姒。操作系统的配置工具等【1 7 】。 1 2 课题的研究背景及意义 现在针对基于o s e k 厂、，d x 标准的嵌入式实时操作系统已成为主流的汽车电子 嵌入式操作系统，国内外都已投入了大量的人力物力做相关的研究与开法。目前 国外公司在基于o s e m x 标准的嵌入式实时操作系统方面，已经有相对成熟的 产品，在功能和性能上能较好的满足汽车电子嵌入式系统的应用。但是，国内尚 没有较成熟的基于o s e k d x 标准的嵌入式实时操作系统商用产品，这对我国自 主发展汽车电子控制技术是很不利的。另一方面，在现有诸如o s e k t u 而。等产品 的实现中，在移植性方面主要考虑了基于操作系统上开发的应用程序强移植性， 而未充分考虑操作系统内核本身在各不同硬件平台上的可移植性，从而使得操作 系统在基于各不同硬件平台上的实现完全独立，如需操作系统在不同硬件平台的 应用，必须在原有系统基础上进行很大程度的修改与开发，以降低移植代价。并 且为使系统满足硬件环境较苛刻的需求，尤其是小内存的要求，在现有实现思想 上可做包括堆栈分配在内的一些优化工作。 本课题是在对o s e k d x 标准的研究基础上，在“汽车电子控制的嵌入式系 统发平台及其应用”项目的研制项目背景得以实施的。该系统实现了汽车电子嵌入 式系统的基本要求。该系统是由操作系统内核、通信管理系统、配置系统、网络 管理系统等四个子系统组成的。 为了满足系统的性能指标要求，在对系统的设计上，采用模块化的设计方法， 各子系统相对独立各自负责完成各自己既定功能的实现，如通信管理系统可在无 操作系统内核、无配置系统和无网络管理系统的前提下独立执行。而对于整个系 统，各子系统之间采用标准接口进行通讯。 通过对基于o s e m x 标准的操作系统内核标准的研究，在国家项目的支持 下，实现了操作系统内核子系统，并在此基础上，开发出了基于o s e l d x 操作 系统标准的汽车电子嵌入式操作系统a - u t o o s e k 。a u t o o s e k 是基于优先级的、具 有混合占先式调度实时内核，并基本完成o s e m x 操作系统标准中所要求的基 本功能，具有一定的实用性。 同样，对于实验室自主研发的a u t o o s e k 也有相当的技术难题和问题： 1 ) 任务管理是实时嵌入式操作系统( r t o s ) 最重要的功能之一，任务调度与任 务切换算法直接影响到系统的实时性和整个系统的可靠性。早期的a u t o o s e k 中 采用了事件触发的任务调度策略和基于优先级的混合抢占调度算法，任务t c b 的 重庆邮电在学硕士论文 第一章绪论 管理冗余较多，严重影响了系统的实时性和可靠性，并有效减小了系统内核大小。 2 ) 同步机制直接关系到系统的可靠性，原版的a u t o o s e k 所实现的任务同步 机制和报警机制等，还具有相当的缺限，如开关中断管理比较混乱，如关中断时 间过长，从而降低了系统的实时性；开中断时机不对，系统执行过程中，程序容 易跑飞或系统容易死机等。 3 ) 对实时系统来说，中断是必不可少的机制，以确保具有时问关键特性的功能 部分得到及时执行。在原a u t o o s e k 中断设计中，由于内核开关中断管理等几个 关键部分实现的不当，增大了中断的延迟时间等。 通过对国内外的研究状况的分析，并对a u t o o s e k 的进一步研究，迫切的需要 进一步对现有a u t o o s e k 内核进行完善和优化，提高系统的实时性、可靠性，缩 减内核代码大小，使其适用于复杂的汽车电子环境。并使其应用到具体的汽车电 子嵌入式控制系统之中。并在“支持汽车电子的嵌入式软件平台”项目的支持下，完 成了最新的a u t o o s e k 操作系统内核。 1 3 论文的主要工作 在此论文中，主要完成了以下工作： 1 ) 研究并介绍了嵌入式实时操作系统的基本知识，并对当前国际上主流嵌入式 实时操作系统内核实现做了分析与比较。 2 ) 依据o s e m x 标准完成并优化操作系统内核总体结构设计和实现，如内 核硬件无关部分模块划分、任务调度机制等的设计改进等，优化了系统结构。实 现系统任务调度的公平性和可靠性。 3 ) 研究并优化操作系统内核中断管理、堆栈管理、任务调度等算法。如优化中 断服务程序、改变任务调度时的中堆栈管理方法、提出并实现补偿调度算法等， 减小了系统开销，增强了系统调度实时性和可靠性。 4 ) 分析并优化操作系统内核的内存管理算法、任务管理数据、内核实现代码等， 缩减了操作系统内核大小。 5 ) 深入分析o s e k 操作系统标准、a u t o o s e k 操作系统采用的任务管理和调度 机制，以及为其服务的任务同步机制和报警机制等，在a u t o o s e k 操作系统中优 化并实现了基于优先级天花板协议的固定优先级任务调度机制，有效防止了任务 调度过程中的优先级反转。 6 ) 系统进行了应用研究，如在汽车防抱死系统中的应用等，并介绍了 a u t o o s e k 系统的实际应用情况，并在应用中完善此操作系统。 4 重庆邮电在学硕士论文 第一章绪论 1 4 论文的组织结构 本论文是按照以下顺序进行论述： 第一章介绍了课题的研究现状和发展趋势、课题研究背景和研究意义、论文 的主要工作、以及论文组织结构。 第二章主要对本课题的背景知识和相关领域进行简单介绍，对嵌入式实时操 作系统进行了概述，介绍了相关的非o s e k d x 标准的实时操作系统的内核实现 机制等，并着重对o s e k d x 标准和基于此标准的操作系统内核机制进行了介绍。 第三章在o s e k d x 标准和原有a u t 0 0 s e k 内核结构的基础上，对内核进行 总体的结构设计，及相关的实现机制设计等。 第四章主要实现了为满足系统便于在不同微处理器上的移植，a u t o o s e k 系统 所采用的硬件无关部分与硬件相关部分完全独立的体系结构，以及各模块的具体 实现。着重分析并实现了与硬件无关的任务管理与调度、资源管理、事件处理机 制、消息和报警处理策略，以及与硬件相关的中断服务程序和中断管理机制。 第五章主要是a u t o o s e k 系统的性能分析及介绍，如可靠性、实时性、移植 性、占用空间等，并讲述了a u t o o s e k 系统的在汽车电子中的相关移植及应用， 如在防抱死系统a b s 中的应用、汽车标定系统中的应用、电子节气门中的应用等。 第六章总结了本论文工作并对下一步的工作进行了展望。 重庆邮电在学硕士论文第二章嵌入式实时操作系统 第二章嵌入式实时操作系统 嵌入式操作系统是随着嵌入式系统的发展而出现的，它是嵌入式系统发展到 一定阶段的产物【l6 1 。嵌入式操作系统的出现，将大大提高嵌入式系统开发的效率， 改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头做起的历史。在嵌入式操作系 统之上开发嵌入式系统将减少系统开发的工作量，增强嵌入式应用软件的可移植 性，使嵌入式系统的开发方法更具科学性【博珈】。 由于嵌入式系统大多数都用于控制目的，对系统的实时性要求较高，所以嵌 入式操作系统往往又是实时操作系统【l 引。 2 1 嵌入式实时操作系统理论 嵌入式实时操作系统是嵌入式系统的灵魂，它简化了嵌入式系统应用软件开 发的难度，提高了开发效率。当前，嵌入式实时操作系统以成为嵌入式系统发展 的一个重要方向。 2 1 1 嵌入式实时操作系统概念 嵌入式操作系统以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专业计算机系统。它主要由嵌入式 处理器、相关支持硬件、嵌入式操作系统及应用系统等组成，它是集软硬件于一 体的可独立工作的“器件”。 实时操作系统可进一步分为两种，一种称为“硬实时”，另一种则称为“软实时” 【2 1 。2 3 1 。“硬实时”操作系统对于所提交的每一项任务及其时间要求，或者做出承诺， 或者立即拒绝，对于做出的承诺则保证其能够实现。“软实时”操作系统只是根据以 往的经验和对系统能力的分析和估计能完成的概率有多大来对提交的任务做出承 诺。目前，在“硬实时”方面的研究还不成熟。 2 1 2 嵌入式实时操作系统结构 实时操作系统可根据实际应用环境的要求对内核进行裁剪和重新配置，其组 成可根据不同领域的实际应用而有所不同，但其基本组成一般包括这几部分【2 4 】： 实时内核、扩展模块、标准接口等。嵌入式实时操作系统的体系结构如图2 1 所示： 6 重庆邮电在学硕士论文 第二章嵌入式实时操作系统 ! 医磊鬲习医磊丽 ! i 【竺! ! ! 竺竺 1 竺竺竺! 竺竺l ： il 丝丝鲞丝羹旦jl 塑丝垂丝蕉旦i ； 蛹珈 驱动程守、硬件抽象层、旌础软件包 i 壁垒塞丝堡i 图2 1 嵌入式实时操作系统结构 图2 1 中，操作系统内核提供了如内存管理、文件管理、中断管理等基本功能； 扩展模块提供了如网络管理、通信管理、图形界面等基于操作系统的开发模块。 同时，随着嵌入式操作系统的发展，在整个嵌入式实时操作系统中，按照操作系 统的不同应用环境，扩展了驱动程序、硬件抽象层、基础软件包等功能，它们扩 展了系统的功能，方便了系统的移植及基于此操作系统的应用程序开发。标准接 口是嵌入式实时操作系统必不可少的模块，它是操作系统内核与扩展模块、应用 程序组件与整个操作系统连接模块。 2 2 嵌入式实时操作系统特征 嵌入式实时操作系统最主要的特征是性能上的实时性，从这个角度上看，可 以把实时系统定义为“一个能够在指定的或者确定的时间内，实现系统功能和对 外部或内部、同步或异步事件作出响应的系统”。嵌入式实时操作系统应具备以下 几个特征： 1 ) 实时性：嵌入式系统多是对一些设备进行监测和控制，如，汽车电机控制系 统、核反应堆控制系统等。对这些设备的控制不仅要求程序逻辑上正确，而且在 时间上也必须满足要求。如果不能在系统规定的时限内完成任务，就会造成严重 的后果，这要求嵌入式系统有实时性的功能。 2 ) 稳定性：很多嵌入式系统都用在一些性命攸关的设备上，因此其稳定性是至 关重要的，不允许系统在运行过程中出现什么故障【2 2 】。 3 ) 小内核：由于嵌入式系统上硬件资源的限制，因此嵌入式操作系统的内核必 须精简。 4 ) 配置和移植性：为了适应各种应用需求的变化，嵌入式操作系统还应该具有 7 一中断管理核r；111 统 一 系 一 绯一帔憎憎愧一内存管理 重庆邮电在学硕士论文第二章嵌入式实时操作系统 可裁减性、可伸缩性、易移植性的特点，让开发人员可以根据需要对嵌入式操作 系统进行剪裁，去掉用户不需要的功能模块，以减小内核大小，节省内存资源。 2 3 主流嵌入式实时操作系统关键技术点 依据嵌入式实时操作系统的特征要求，嵌入式操作系统的关键技术也应该是 实时性、可靠性、小内核、易配置和移植几个方面2 5 1 。 1 提高系统实时性 实时性是嵌入式实时操作系统最主要的性能之一，提高系统实时性主要包括 以下几个方面的优化和设计： 1 ) 操作系统中的任务调度方式。不同的任务调度方式在任务调度时的系统开销 必然存在差易；同时，相同的调度方式在不同的嵌入式系统环境下，其调度时间 也存在差易。在嵌入式实时操作系统中，普遍采用的是抢占式任务调度方式。 2 ) 高效的克服优先级反转问题，防止高优先级的任务由于等待某些被低优先级 任务已占用的资源，从而被其他低优先级的进程抢先运行，影响系统的实时性能。 3 ) 其它实时操作系统内核的设计，如解决周期性任务的调度和时间抖动问题 等。 4 ) 尽量缩短操作系统代码中的关闭中断过程，并通过精心的设计确定关中断的 时间长短，提高系统实时性。 2 提高系统可靠性 可靠性也是衡量一个嵌入式实时操作系统系统的优劣的最主要标准之一，在 系统中，影响系统可靠性的主要有以下两个因素： 1 ) 操作系统的实现算法，如任务调度算法、死锁预防和避免算法等 2 ) 系统实现，如整个嵌入式实时操作系统程序代码的正确性等。 3 减小系统内核大小 衡量嵌入式实时操作系统内核大小的尺寸包括静态的尺寸( 内核二进制文件占 用非易失存储器的大小) 和动态的尺寸( 系统运行起来后占用内存的大小) 。这两者 都很重要，静态尺寸反映了对f l a s h 等非易失存储器的占用情况，动态尺寸反映了 对s d 洲等系统内存的消耗情况。具体采用方法有精简的任务控制块、精简调 度算法减少内核代码等。 4 易配置和移植 这就要求系统预留合理的配置接口，和实现系统与硬件相关代码和与硬件无 关代码之间的分别，以方便用户的使用。 重庆邮电在学硕士论文第二章嵌入式实时操作系统 2 4 嵌入式实时操作系统内核实现机制 2 4 1 通用嵌入式实时操作系统内核实现机制 嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，如e c o s 、u c o s 、v x w o r k 等都以 大量应用于嵌入式系统中。般在嵌入式操作系统中，任务调度方式、任务同步 与通信机制和中断管理方法等将直接决定着系统的实时性与可靠性，这里将从这 三个方面入手，对这些嵌入式操作系统进行分析比较。 1 e c o s e c o s 是一个抢占式多任务实时操作系统。e c o s 中有位图调度器和多级队列调 度器，两者都可以设置3 2 个动态的优先级，函数调用与服务的执行时间也都是可 确定的，但是位图调度器采用了基于固定优先级抢占式的调度方法，没有实现同 优先级的调度算法，任务数量限制在3 2 个。而多级队列调度器采用了基于优先级 抢占式和时间片轮转调度的调度方法。有实现同优先级的调度算法，对任务数量 没有限制。 为允许多个任务之间的协同工作和它们对资源的竞争，需要提供一种同步和 通信机制。典型的同步机制是采用互斥、条件变量和信号量，e c o s 也同样采用了 这些方法。 e c o s 使用分层式中断处理机制，把中断处理分为传统的i s r 和滞后中断服务 程序d s r 。可以在中断允许时运行d s r 。i s r 可以单独处理少量简单的中断：服 务复杂的中断由i s r 屏蔽中断源再交d s r 处理。 2 肛c o s - p c o s 由于在设计时充分考虑到其移植性，所以绝大部分“c o s 的源码 用移植性很强的a n s ic 编写，而与微处理器硬件相关的部分用汇编语言编写。 在任务管理上，“c o s 采用的是可剥夺型实时多任务内核，它只能设置6 4 个动态的优先级，采用了基于固定优先级抢占式的调度方法，没有实现同优先级 的调度算法，任务数量限制在6 4 个。 p c o s 采用了如信号量( s e m 印h o r c ) 、互斥型信号量( m u t e x ) 、事件标志( e v e n t n a g ) 、消息邮箱( m e s s a g eb o x ) 、消息队列( m e s s a g e q u e r y ) 等完善的任务同步与通信 机制。 在中断管理方面，p c o s i i 中一个中断向量上只能挂一个中断服务子程序 i s r 。而且用户代码必须都在i s r 中完成。内核所能支持的最大嵌套深度为2 5 5 。 3 v x w b r k s 在众多的实时操作系统和嵌入式操作系统产品中，w i n d 融v e r 公司的v x w r o r k s 9 重庆邮电在学硕士论文 第二章嵌入式实时操作系统 是较为有特色的一种实时操作系统。v x w b r k s 支持各种工业标准，包括p o s 、 a n s ic 和t c p p 网络协议。 在任务管理上，v x w 6 r l 【s 运行系统的核心是一个高效的完全抢占式的微内核， 它可以设置2 5 6 个动态的优先级，采用了基于优先级抢占式和时间片轮转调度的 调度方法，有实现同优先级的调度算法。 v x w b r k s 具有灵活的同步与通信机制，都可以通过信号量、消息队列来实现 同步与通信，同时采用了资源优先级管理措施来抑制优先级的反转。 v x w 0 r k s 操作系统的中断管理采用中断处理与普通任务分别在不同栈中处理 的中断处理机制，因此必须分配足够大的中断堆栈空间才能处理最坏情况下的中 断嵌套。 2 4 2 基于0 s e k v d x 标准的嵌入式实时操作系统 o s e k d x 是应用在模块和静态实时操作系统上的标准，由主要的汽车制造 商和供应商，研究机构以及软件开发商发起。 o s e k d x 标准定义了一个完整的嵌入式系统模块，它主要包括操作系统( o s ) 【2 6 1 、通信管理( c o m ) 【2 7 1 、网络管理( n m ) 【2 8 1 和o s e k 厂、厂d x 实现语言( o i l ) 等四 个子系统组成。另外，o s e k d x 标准还包括的部分有：o r t i ( o s e kr l mt i m e h l t e r f a c e ) 提供对调试接口的定义：o s e k t i m e ( o s e kt i m e ) 定义应用程序的时间性约 束；f tc o m ( f a l u l tt o l e r a n tc o i i u i l u l l i c a t i o n ) 定义有时间保证的通讯协议，被看作 o s e k t i m e 的一个部分。其结构如图2 2 。 操嚣统 吲 应用程序 1 | 网篙理 王 王 王 l 姻管理 i 通信管理c 。m f 王 王 物理层 图2 2o s e k 核心标志结构 相应的，操作系统( o s e ko s ) 静态配置可以通过o s e l ( d x 实现语言( o s e k o i l ) 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。通 信管理( 0 s e kc o m ) 为通信网络中的数据交换提供了标准的接口和协议。网络管理 ( o s e km 订) 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。 目前，国外很多公司从事基于0 s e l d x 标准的嵌入式实时操作系统的研究 l o 重庆邮电在学硕士论文第二章嵌入式实时操作系统 与开发工作，主要产品包括有：m e t r o w o r l ( s 公司的o s e k t u r b o ，v e c t o r 公司的 o s c a n 和、聃n d 鼬v e r 公司的o s e k w b r k s 等。 o s e k t u