（通信与信息系统专业论文）基于μcosⅡ的osek车用实时操作系统设计与实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着汽车使用功能的增多，用在汽车控制中的电控单元达到平均 每车5 0 个，使得汽车电子软件系统越来越复杂，汽车应用软件开发 难度越来越高。为了降低开发难度，2 0 世纪9 0 年代初期，欧洲汽车 业界联合推出了o s e k v d x 汽车电子多控制单元的开放式分布系统 及接口标准，该标准在规范汽车应用软件的开发上具有重要意义。它 可以屏蔽不同电控单元的电气特性，为软件开发者提供统一接口，减 少开发成本，缩短开发时间。 本文首先介绍了o s e k n d x 标准的各个组成部分，重点研究了 标准中操作系统内核( o s ) 的定义、处理机制以及它提供的系统服务。 然后深入分析了嵌入式实时操作系统c o s i i 的工作原理，并与 o s e k n d xo s 运行机制做比较。最后针对比较后的结果，对c o s i i 内核进行修改和扩展使其满足o s 标准，为用户提供一个开放式的汽 车应用软件开发平台。 对p c o s i i 内核的修改和扩展，主要体现在以下三方面工作： 1 为“c o s i i 内核建立一张新的任务就绪表。基于新就绪表， 改进寻找最高优先级任务算法使优先级顺序相反；改进任务就绪算法 使任务数量扩展一倍，使内核在汽车控制过程中可以执行更多任务。 2 为卜t c o s i i 内核引入一种优先级项置协议，解决实时系统中 普遍存在的优先级反转现象，使汽车控制中的紧急情况能够在规定时 间内得到及时处理。 江苏大学硕士学位论文 3 根据o s e k v d x 标准对报警器管理的说明，以计数器做报警 器的底层支持，为i _ t c o s i i 内核添加软件定时报警服务功能，减少 汽车控制中的事故发生率。 在i t c o s i i 内核修改之前，先将其移植到m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 微处 理器上，目的是在内核修改过程中为内核提供运行和测试的环境。针 对以上研究成果分别编写测试程序进行验证，所有测试代码都通过系 统调试，运行情况稳定，为实际应用打下重要基础。 关键词：汽车电子，o s e k v d x ， t c o s i i ，实时操作系统，任务就 绪表，优先级反转，报警器管理，m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea u t o m o b i l ef u n c t i o nm u l t i p l i n g ，t h en u m b e ro fe l e c t r o n i cc o n t r o lc e l lo n p e ra u t o m o b i l ei so nt h ea v e r a g eo f5 0 s ot h ea u t o m o b i l es o f t w a r es y s t e mb e c o m e s m o t ec o m p l e xa n dt h ea p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n ti sa l s om o r ed i f f i c u l tt h a nb e f o r e i n o r d e rt or e d u c et h ed i f f i c u l t yo fa p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n t ，t h ee u r o p e a na u t o m o b i l e i n d u s t r yc o l l a b o r a t i v e l yp u tf o r w a r dt h eo p e ns y s t e m sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g i n t e r f a c e ss t a n d a r df o ra u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ( o s e k v d xs t a n d a r d ) i nt h eb e g i n n i n g o f1 9 9 0 s t h es t a n d a r di sm u c hm o t ei m p o r t a n to nt h ea p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n t ，i t c a ns h i e l dt h ed i f f e r e n c e a m o n gv a r i o u s e l e c t r o n i cc o n t r o lc e l la n ds u p p l yt h e c o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c et os o f t w a r eu s e r b yu s i n gt h eo s e k v d xs t a n d a r d ，t h ec o s t a n dt i m eo fa p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n ta r eo b v i o u s l yd e c r e a s e d i nt h i sp a p e r , f i r s t , o s e k v d xs t a n d a r di si n t r o d u c e da n dt h eo p e r a t i n g s y s t e m ( o s ) s t a n d a r d i sr e s e a r c h e do ne m p h a s e s s e c o n d ，t h ep r i n c i p l eo ft h e r t c o s - i ir e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi sa n a l y s e da n dc o m p a r e dw i t ht h eo sr u n n i n g m e c h a n i s m b a s e do nt h er e s u l ta f t e rc o m p a r i n g ，t h el x c o s i ik e r n e li sa m e l i o r a t e d t oa c c o r dw i t ht h eo s e k v d xs t a n d a r da n ds u p p l ya no p e ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t s y s t e mf o rp r o g r a m m e r s t h em a i nc o n t e n t si nt h ec o d ea m e l i o r a t i o nm o d u l ec a nb es u m m a r i z e da st h e f o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： 1 an e wt a s kr e a d yt a b l ei sc r e a t e df o ri - t c o s i ik e r n e l i m p r o v i n go nt h e a l g o r i t h mo fs e a r c h i n gt h eh i g h e s tp r i o r i t yi nt h en e wt a b l ec a nc h a n g et h ep r i o r i 哆 s e q u e n c e ；i m p r o v i n g o nt h ea l g o r i t h mo fm a d i n gt a s ki n r e a d yc a ni n c r e a s et h e p r i o r i t yn u m b e r 2 p r i o r i t yc e i l i n gp r i n c i p l e ( p e p ) i si n t r o d u c e di n t ot h ep c o s i ik e r n e lw h e nt h e 埘o r i t yr e v e r s i o na p p e a r s ，t h ep e pc a nt a k eo r d e rw i t ht h ee x i g e n c yi na u t o m o b i l e c o n t r 0 1 3 a c c o r d i n gt ot h ei n t r o d u c t i o no fa l a r ms e r v i c ei no s e k v d xs t a n d a r d ，i n m 江苏大学硕士学位论文 i r t c o s uk e r n e la na l a r mm o d u l ei sa d d e dw h i c hu s e sc o u n t e rt oc a l c u l a t et h et i m e l i m i t i ft h ec o u n t e ra c h i e v e st h et h r e s h o l dw h i c hi ss e tb ya l a r m ，t h ea l a r ms e r v i c e 、耐ub ee x e c u t e d b e f o r ec o d ea m e l i o r a t i o n ，t h e “c o s - i ii sr e p l a n t e dt ot h em c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b s i n g l e c h i pf o rs u p p l y i n gt h ee x p e f i m e n t m i o n t o t e s tt h eo p e r a t i n gs y s t e mw h i l e a m e l i o r a t i n ga n dp e r f o r m i n g f o c u so nt h ea b o v et h r e ew o r kp o i n t s ，w r i t i n gt e s t i n g p r o g r a m m et ov e r i f yt h eo p e r m i n gs y s t e ma n dt h et e s tr e s u l t ss h o wt h a ti ti so k k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，o s e k v d x , r t c o s i i ，r e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m ，t a s kr e a d yt a b l e ，p r i o r i t yr e v e r s i o n ，a l a r ms e r v i c e ， m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并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。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容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和 汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密订。 学位论文作者签名：- a - 背 指导教师签名： 2 0 0 9 年铜垆日 i i 放出 v 2 0 0 9 年6 月严日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引 用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：签静 日期： 汐9 年莎月1 le l 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着我国经济的飞速发展以及人民生活水平的提高，国民的汽车购买力逐渐 提高，汽车成为新的消费热点和经济增长点。目前，中国已经跃居世界第二大汽 车市场，据中国汽车工业协会公布的数据显示，2 0 0 7 年我国汽车产销量双双超 过8 8 0 万辆，同比增长高达2 2 0 2 ，成为仅次于美国的第二大汽车消费国，预 计2 0 1 5 年可达1 5 0 0 万辆【1 1 。在汽车需求数量增加的同时，汽车的可靠性、安全 性和舒适度也成为各大汽车厂商争夺市场的关键。为了突显上述汽车功能，市面 上平均每台汽车上大约分布5 0 个电控单元，汽车电子作为关键技术全面发展起 来。汽车电子【1 】是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。车体 汽车电子控制装置，包括发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子控制系统； 车载汽车电子包括汽车信息系统、汽车导航系统和汽车娱乐系统。 由于2 0 0 8 年和2 0 0 9 年国际经济陷入衰退，全球汽车电子产业受到影响。在 中国，汽车电子产业的增长速度虽然会有所下滑，但仍将分别达到1 1 8 和6 5 的增长率，保持正增长，汽车电子仍然是一个充满商机的行业。 1 2 课题的研究目的和意义 汽车工业的发展围绕安全、节能、环保、舒适、方便的主题，为消费者提供 高质量、安全可靠、多功能服务。随着控制器数量的增多，控制内容越来越多， 控制系统越来越复杂，为了使各个独立的汽车单元能够更好的协调工作，迫切要 求有一个汽车专用的嵌入式实时操作系统，总体控制汽车的各个单元。为了实现 复杂化了的汽车电子控制软件的开发，加强应用软件的可移植性和屏蔽不同厂商 提供的控制器的电气特性，2 0 世纪9 0 年代初欧洲汽车工业界联合推出了 o s e k v d x ( o p e ns y s t e m s a n dt h e c o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c e s f o ra u t o m o t i v e e l e c t r o n i c s ) 汽车电子多控制单元的开放式分布系统及接口标准，简称“o s e k 标 准 1 2 1 。嗍旨在为汽车上的分布电控单元提供一个开放结构的工业标准，减少软件 江苏大学硕士学位论丈 开发周期。o s e k 标准从实时操作系统、接口封装、通信和网络管理等方面对汽 车的电子控制软件开发平台作了较为全面的定义与规定。按照o s e k 标准来定制 代码小、可伸缩的嵌入式实时操作系统【9 m 4 1 ，可以管理实时任务、强化定时器 功能、共享资源等。 而进行汽车控制软件开发时采用符合o s e k 标准的嵌入式操作系统，具有以 下意义： 第一，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。以前经常采用的前后台系 统软件设计在遇到强干扰时，使运行的程序产生异常、出错、跑飞甚至死循环， 造成系统的崩溃。而实时操作系统管理的系统，这种干扰可能只是引起若干进程 中的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。通常情况下， 这个系统监控进程用来监视各进程运行状况，遇到异常情况时采取一些利于系统 稳定可靠的措施，例如把有问题的任务清除掉。 第二，嵌入式实时操作系统提高了控制软件开发效率，缩短了开发周期。在 嵌入式实时操作系统环境下，开发一个复杂的应用程序，通常可以将整个程序分 解为多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。 第三，按照o s e k 标准提供的准则进行汽车控制软件开发，可以屏蔽掉底层 不同电控单元的接口特性，实现应用软件的可移植和可重用，节省开发经费，使 不同电控单元之间可以无缝隙通信。 1 3 国内外研究现状 从o s e k 标准提出至今，世界上一些著名的汽车制造厂商，如奔驰、宝马、 保时捷、劳斯莱斯和美洲豹等都采用了符合o s e k 标准的系统平台来实现汽车内 部控制系统。下面介绍的是比较著名的嵌入式操作系统厂商开发的o s e k 操作系 缔1 1 5 1 - ，u 1 o s e k t u r b oo s 是一个小型、快速、可靠、可扩展的实时操作系统，由 m e t r o w e r k s 公司开发，它提供了一套r t o s 服务来开发嵌入式应用程序，为实时 应用程序提供快速后台切换时间。 2 n u c l e u so s e k 由a c c e r l e r a t e dt e c h n o l o g y 公司开发，是符合o s e k 标准 操作系统的全面实现，支持多种调度算法、资源和时问管理、报警及用户定义计 2 江苏大学硕士学位论文 数器。 3 o s e k w o r k s 由w i n d r i v e r 公司开发，它提供了模块性和灵活性的独特组 合。其高度模块化的体系使得用户可限制应用程序所使用的操作系统服务，优化 存储器使用率。对特定对象，如任务，可根据不同的o s e k 进行剪裁，令r a m 和r o m 需求达到最小。调度策略以任务和资源的优先级为准，用户可在其中选 择，配合事件和中断处理程序的适当使用，来优化应用程序速度。 4 o s c a n 是一个多任务操作系统，在微控制器上的使用有着最优性能，由 v e c t o r 公司开发，它的出现是小而稳定的操作系统内核的代表。o s c a n 是一个 静态操作系统，小而快，是完全抢占型操作系统，提供控制优先级的任务管理和 不同的同步机制，支持基于事件的同步。灵活的中断概念使得在中断服务程序罩 也可使用系统服务。 出于商业利益的考虑，上述操作系统均不公布其源代码。国内这几年有部分 高校关注o s e k 标准，并尝试设计一个自主产权的符合o s e k 标准的操作系统。 参与的高校和科研单位有：中科院、清华大学、浙江大学、北京航空航天大学、 华中科技大学、同济大学等。研究成果主要有清华o s e k 车用嵌入式操作系统【1 6 】 和浙江大学的s m a r t o s e k 1 7 1 。清华o s e k 车用嵌入式操作系统是国内第一个自 主开发的o s e k 车用嵌入式操作系统，它按不同的符合类( 见2 3 2 1 ) 提供完备的 任务调度、资源管理、中断管理和定时报警功能，另外还包括c o m 部分的功能， 包括内部通信、外部通信和消息通知机制；浙江大学的s m a r t o s e k 符合操作系 统标准的b c c l 、e c c l 符合类( 见2 3 2 1 ) 和通信标准的c c c a 、c c c b 等符合类， 它是静态、微内核、可移植的实时操作系统，提供的功能有：任务管理、中断管 理、事件机制、资源管理、定时器和内部通信。同样，这两个系统的源代码也没 有公开。 1 4 论文的主要内容和安排 论文主要内容： 本文针对汽车电子嵌入式操作系统，首先对欧洲汽车工业的多控制单元的开 放式分布系统及接口标准o s e k v d x 进行研究；其次研究当前流行的嵌入式操 做系统r t c o s i i t l 8 11 1 9 ，对它和标准进行比较，提出设计一个符合o s e k v d xo s 3 江苏大学硕士学位论丈 标准的车用操作系统。把肛c o s i i 操作系统移植到以m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b r e 0 11 2 1 1 作芯 片的电控单元上，为操作系统设计提供软硬相结合的试验环境。最后基于两者比 较所得结论，对p c o s i i 做任务管理、资源管理和报警管理的修改，实现一个 车用嵌入式操作系统。因此，本论文的重点在操作系统的设计与实现方法上。 论文工作安排： 第一章介绍了课题研究背景、研究目的和意义、国内外研究现状以及工作安排。 第二章阐述了o s e k v d x 规范化标准，详细说明o s e k v d x 操作系统( 0 s ) 规范。 第三章研究了i 上c o s i i 实时内核，把它与第二章介绍的o s 规范做比较，提 出了一个车用操作系统的结构设计方案。 第四章把“c o s i i 实时内核移植到m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 单片机上，并设计任务 进行系统可运行性测试，为第五章的车用嵌入式操作系统实现提供试验环境。 第五章首先在优先级管理、资源管理和报警器管理方面对r t c o s i i 实时内 核进行修改，使之满足所设计系统的要求；其次分模块对该系统进行测试，以检 查它的实现正确性；最后测试系统实时性。 第六章对全文进行总结，指出所做工作的不足并对未来工作提出新的展望。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章o s e k v d x 标准 近几年来，分布式结构在汽车电子方面得到了突飞猛进的发展。对于一个高 级的汽车来说拥有几十个独立的汽车单元是一件很平常的事情。为了使各个独立 的汽车单元能够更好的协调工作，迫切的要求有一个汽车专用的嵌入式实时操作 系统，总体控制汽车的各个单元。因此，o s e k v d x 标准应运而生。 o s e 啪x 作为欧洲汽车电子工业标准，为软件开发用户提供开放式的系 统及接口。在开放式分布的控制器上采用符合o s e 啪x 标准的嵌入式操作系 统进行软件开发，有以下优点：屏蔽不同电控单元的电气特性，节约软件开发时 间，减少软件开发成本，实现控制软件的可移植性、可扩展性和可重用性。 2 1o s e k v d x 标准的产生及发展 随着汽车电子化应用程度的提高，为了提高汽车整体性能，车内多控制单元 分布式控制广泛应用于整车控制中。为了提高汽车的安全性、环保性、舒适性以 及经济性，汽车电子控制从硬件到软件都变得更复杂。硬件方面表现为电控单元 的种类和数目不断扩大；软件方面则表现在控制软件功能的增加。不同汽车生产 厂家的硬件选择和软件开发都进行地相对独立，造成软件的可重用性降低。因此， 为了打破汽车行业这种封闭的软件开发模式，欧洲汽车工业界提出了 o s e k v d x 标准并广泛推广，在该规范下开发软件可以实现控制软件的重用。 1 9 9 3 年5 月，德国汽车工业内部联合提出了分布式汽车控制单元开放体系 结构的工业标准，即o s e k 标准。这个标准的最早倡导者有【勿：宝马、博世、 戴姆勒一奔驰、欧宝、西门子、大众和卡尔斯鲁大学的工业信息技术研究所。 o s e k 是德文“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 n k r a f f f a h r z e u g ”各个首字母的缩写，英文翻译为“o p e ns y s t e m sa n dc o r r e s p o n d i n g i n 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 n i c s ”，中文意思是汽车电子的开放式系统及相应 接口标准。1 9 9 4 年，法国的汽车生产商标致和雷诺加入了o s e k 体系，引入了 法国汽车电子的v d x ( 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 ) 标准。v d x 标准在法国汽车 工业中是与o s e k 相似的标准体系。 5 江苏大学硕士学位论文 1 9 9 5 年1 0 月，o s e 啪x 小组在第一次国际专题研讨会上对o s e k 和v d x 标准有了一致共识，正式形成了o s e k d x 多控制单元分布式控制系统及接口 开发规范第一版，并被众多欧洲汽车生产厂家广泛采用。当时的o s e k v d x 体 系包括三个模块部分：o p e r a t i n gs y s t e m ( o s ) 1 0 ，c o m m u n i c a t i o n ( c o m ) 1 0 ， n e t w o r km a n a g e m e n t ( m 旧1 0 。1 9 9 7 年1 0 月，第二次o s e k v d x 国际专题研 讨会之后，对第一版进行修改，产生了第二版规范。在第二版规范中，除了完善 第一版的规范内容，增加了o s e k 语言o i l 的实现部分。升级后的o s e k v d x 体系包括四部分：o p e r a t i n gs y s t e m ( o s ) 2 0 ，c o m m u n i c a t i o n ( c o m ) 2 0 ，n e t w o r k m a n a g e m e n t ( n m ) 2 0 ，o s e ki m p l e m e n tl a n g u a g e ( o i l ) 2 0 。2 0 0 0 年2 月，第三 次o s e k d x 国际专题研讨会讨论了该标准并入i s o 的问题并且开辟了产品展 示平台，有1 5 家汽车供应商和软件供应商参加展示并且出售o s e k 厂v d x 产品， 推广了o s e k d x 的实际应用。 o s e 啪x 技术委员会吸纳了更多的组织和个人成为委员会成员，为修改 o s e k v d x 提供可行性建议。除了最初的o s e 啪x 参与者，现在这个技术委 员会由来自全世界的五十多个各行各业的与汽车制造相关的合作伙伴组成，例 如：汽车生产商，汽车供应商，半导体生产者和软件公司。由于o s e k 体系的各 个模块互不影响，o s e k 规范都是按照模块更新的。随着技术委员会的成熟壮大， o s e k 各模块的更新速度非常及时。目前为止，o s e k 的四个主要模块已经更新 到：o p e r a t i n gs y s t e m ( o s ) 2 2 3 ，c o m m u n i c a t i o n ( c o m ) 3 0 3 ，n e t w o r k m a n a g e m e n t ( n m ) 2 5 3 ，o s e ki m p l e m e n tl a n g u a g e ( o i l ) 2 5 。 在o s e k 标准模块发展的同时，在1 9 9 7 年还专门设立了一个e s p r i t 项目， 颁布了m o d i s t a r c 2 3 1 测试规范，用来评估汽车软件供应商提供的嵌入式软件 开发平台是否符合o s e k 标准的要求。m o d i s t a r c 测试规范主要包含五个部 分：c o n f o r m a n c em e t h o d o l o g y ，o st e s tp l a n ，c o mt e s tp l a n ，n mt e s tp l a n ， o s e k t i m et e s tp l a n 。目前已经升级到第6 版规范。 2 0 0 6 年1 月底，国际标准认证组织i s o 将o s e k 标准纳入其中，i s o 编号 定为1 7 3 5 6 。这标志着o s e k 已经成为汽车行业的一个工业标准，不仅在欧洲， 在亚洲、美洲同样有规范化的影响力。 6 江苏大学硕士学位论文 2 2o s e k v d x 标准的组成 o s e k v d x 标准从实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 、软件接口、 通信和网络管理等方面对汽车电子控制软件开发平台作了较为全面的定义与规 定。该标准主要由三个独立的规范模块构成：o s e k v d x 操作系统规范( o s e k o p e r a t i n gs y s t e m ，o s e ko s ) ，o s e 啪x 通讯规 范( o s e kc o m m u n i c a t i o n ，o s e k c o m ) ，o s e k n d x 网络管理规范( o s e kn e t w o r km a n a g e m e n t ，o s e kn m ) 。辅 以软件开发平台的o s e k v d x 实现语言( o s e ki m p l e m e n t a t i o nl a n g u a g e ，o s e k o i l ) ，将这三个规范用统一的语言方式表达，增强软件的通用性。因此， o s e k d x 标准也可以描述成由四部分组成：o s e ko s ，o s e kc o m ，o s e k n m ，o s e ko i l 。该标准的系统结构【冽如图2 1 所示： 图2 1o s e 啪x 标准系统结构 运行在o s e k 平台上的应用软件具有可移植、可扩展性和可重用性。为此 o s e k v d x 提出了基于标准化接口和协议的模块化软件设计规范，在这种规范 下汽车制造商只需要提出要求，就可以( 从软件开发商或研究机构) 得到最佳性价 比的功能模块。这种模块可以无缝地嵌入到产品中，大大地提高开发效率，降低 开发成本。 7 江苏大学硕士学位论文 2 3o s e ko s 特点和运行机制 2 3 1 0 s e ko s 特点分析 1 高实时性。在汽车控制领域，片刻的时间延迟或者丝毫差错都可能会导 致危及生命安全的严重后果，因此要求具有高度的实时性。o s e ko s 所有的系 统对象由用户在建立时静态创建，避免了动态创建时的时间消耗增强了实时性， 而且通过o s e k 特有的调度策略和警报机制也能满足实时性需求； 2 标准化应用接口。o s 规范制定了标准的应用程序编程接口，这样可以屏 蔽底层硬件结构的不同而提供一个一致的开发环境。用户只需修改o i l 配置文 件中与硬件相关的部分就可以方便地在不同的电控单元e c u 上进行系统移植和 应用软件的重用； 3 可裁剪性。o s 规范具有高度模块化和可灵活配置的特性，使操作系统既 能支持低端微处理器又能支持复杂的控制单元，并支持在大多数硬件上的实时性 应用。用o i l 语言进行裁剪，o s 也可以在很少的硬件资源环境下运行，例如8 位微处理器。 2 3 2 0 s e ko s 的运行机制分析 o s e ko s 提供一系列不同的服务和进程机制。在系统生成期间，用户可以 通过配置指令来定制o s e k 操作系统。四个一致符合类( c o n f o r m a n c ec l a s s e s ) 可 以实现o s e k 操作系统对不同功能集合的需求，但是在运行期间，操作系统是不 能被修改的。因此用户可以通过配置操作系统达到：控制由不同需要而制定的任 务；操作不同种类的硬件电控单元。 将操作系统按功能划为任务管理和调度、资源管理、警报与计数器管理、事 件管理、消息管理和中断管理这几大机制，结构组成【2 5 】如图2 2 所示。其中任务 管理与调度是整个操作系统的核心，其他的管理机制为它提供不同的服务支持。 8 江苏大学硕士学位论文 资源管理 上t 任务管理和调度 jl t jl 报警管理 、， 上t上 、r 消息管理计数器管理事件管理 t 中断管理 图2 2o s e k o s 的构成机制 2 3 2 1 任务管理和调度机制 实时操作系统的一个核心的功能就是提供一个实时的多任务运行环境，因此 任务管理是实时操作系统最基本也是最重要的一项功能。多任务模型的最大好处 是开发人员可以将复杂的程序层次化、模块化，因此开发人员只需要关注任务的 设计，而具体的任务调度则由操作系统完成。 不同的应用软件对于操作系统的服务需求可能会有所不同，为了满足不同应 用软件的需要，o s e k 操作系统规范定义了一个独特的新概念一一符合类 ( c o n f o r m a n c ec l a s s e s ) 。根据任务的多重激活性、任务的类型和每个优先级下所 允许的任务数量，o s e k o s 规范一共定义了四种符合类 2 1 ，如图2 3 所示。 b c c l 只包括基本任务，每个任务只能激活一次，每个任务都只有一个优 先级且不同任务的优先级不同。 b c c 2 - 包括b c c l 的要求，且允许同一任务的多次激活，允许多个任务具 有相同的优先级。 e c c l ：包括b c c l 的要求，且允许有扩展任务。 e c c 2 ：包括e c c l 的要求，且允许同一任务的多次激活，允许多个任务的 具有相同的优先级。 江苏大学硕士学位论文 任务只有就绪、运行， 挂起状态 一个任务只能有一个 优先级 ( 任务单次激活) 多个任务可以共享一 个优先级 ( 任务可多次激活) 任务只有就绪、运行、 挂起、等待状态 图2 3o s e k o s 的四种符合类 o s e k 操作系统规范中任务的类型主要分为两类：基本任务和扩展任务。这 两类任务的主要区别在于扩展任务可以利用事件进行同步而基本任务则不能。 o s e ko s 中的基本任务主要包括三个状态：运行、就绪、挂起，而扩展任务主 要包括四个状态：运行、就绪、挂起和等待( 仅适用于扩展任务) 。其中，等待状 态是指扩展任务由于所需的事件没有产生而不能继续执行时的状态，两种任务状 态转换情况【2 】参见图2 4 。 图2 4 基本任务和扩展任务状态转化图 对于实时系统的一个重要要求就是任务必须在特定的时间限制内完成，所以 任务调度【冽算法成为实时内核的一项重要技术。o s e k 操作系统规范规定任务的 调度策略分为三种：可抢断调度，不可抢断调度和混合抢断调度。 1 可抢断调度：可抢断式调度意味着，运行的任务在任何时刻都可能由于 高优先级的任务抢占，而被操作系统重新剥夺c p u 的执行权利。当高优先级任 务进入就绪状态，可抢断式调度就把当前运行任务转换到就绪状态。任务的运行 l o 江苏大学硕士学位论文 环境将被保存，使被抢占的任务能在被抢占点继续。如图2 5 ，低优先级的任务 t 2 并不耽搁高优先级任务t 1 的调度。 任务t 1 任务t 2 r l y v 一? 矗 就绪l 二，东。j 菇7 1 。“一， 。 。：一? 。一。瀛 运符” 就绪 “” 纫 i ，。，。z 。一“ 运行 i “lm “t * 强 图2 5 可抢断调度运行模式 2 不可抢断调度：在这种调度策略下，只有当前处于运行态的任务己经结 束，或明确声明可以进行调度的情况下，任务切换才会发生。不可抢断调度策略 增加对了任务时间要求的限制，而且可能会延迟高优先级就绪任务的执行。如图 2 6 ，优先级较低的任务t 2 使得优先级较高的任务t 1 直到t 2 结束时才启动。 任务t l 任务t 2 r 0 = 旋二：i 就缝 ? _ 每i 衍一 习 y ob ，e 拥 匿二：= 运行一| i 一7 5 一“挂延7 。习 。，。溯 l 。 詹l - 1 、， 图2 6 不可抢断调度运行模式 3 混合抢断调度：如果同一系统中既存在着可抢断任务又存在着不可抢断 任务，则相应的调度策略称为混合抢断调度。此时采用的具体调度方法由任务设 计时被指定的抢断性决定。如果任务是可抢断的，则采用完全可抢断调度；如果 任务是不可抢断的，则采用不可抢断调度。 2 3 2 2 资源管理机制 具有不同优先级的多任务访问共享资源需要使用资源管理机制进行协调。这 些资源可以是一段临界区代码、调度程序、共享内存或是数据结构，也可以是共 享硬件设备。资源管理是实现同步的一种方式，同步机制最常见的问题是优先级 1 1 江苏大学硕士学位论文 反转【2 7 1 和死锁网，因此资源管理必须保证： 两个任务不能同时占用同一资源； 优先级反转不会出现； 使用资源不会导致死锁出现； 访问资源不会导致进入等待状态； 优先级反转意味着一个低优先级任务延迟了一个高优先级任务的执行。图 2 7 描述了3 个任务在一个可剥夺型内核中发生优先级反转的现象。任务t 1 具有 最高优先级；任务他优先级居中；任务t 3 具有最低优先级，并且占有信号量 s 1 。t 1 抢占1 3 并请求同一信号量s 1 。因为信号量s 1 己经被t 3 占用，t 1 进 入等待状态。现在低优先级任务1 3 被任务1 2 中断并且抢占。任务t 1 只有等待 所有低优先级任务t 2 、t 3 执行完毕，并且信号量s 1 己经被释放之后才能继续 执行。尽管任务t 2 不占有信号量s 1 ，但是它也延迟了任务t 1 的运行时间。 任舸l 任务t 2 任务r 3 请求信号量s 1 # ”i 1 ” 一“臻确 等待 r 麓司 i 挂起就绪 运行 。 “q 。 ， 挂超就绪 运行挂起 i 镬 r 窿一j 警三磁 就绪 运行 就绪。 貔施矗编托锄撕厄e t “栅也# ；搋。锄 捌 f 。 占有信号量s l 释放信号量s l 图2 7 优先级反转示意图 死锁情况下，任务间由于互相等待被锁定的资源而无法继续执行下去。图 2 8 说明了产生死锁的原因及过程。任务t 1 占有资源s 1 ，并且因为等待某个事 件而无法继续执行。这样，一个低优先级任务亿进入运行状态。任务他占有 信号量s 2 ，如果此时t 1 等待的事件发生，则t l 进入就绪状态转执行，在运行 过程中t 1 企图占有信号量s 2 ，再次进入等待状态。此时t 2 从就绪跳到运行状 态，如果这时配企图使用信号量s 1 ，则产生死锁。 江苏大学硕士学位论文 占有信号量s l 等待事件 事件发生请求竽号量s 2 任务t l 任务亿 占有信号量s 2 请求信号量s 1 死镇 发生 图2 8 死锁现象示意图 为了避免这两种情况出现，o s e k 采用了优先级顶割2 9 ( p r i o r i t yc e i l i n g ) 和优 先级继承凹 ( p r i o r i t yi n h e r i t a n c e ) 两种协议，详见第五章第三节。 2 3 2 3 事件管理机制 事件管理机制是实现同步的另一种方式，它只对扩展任务有效。o s e ko s 规划的事件管理使得任务状态从运行向等待转换或者从等待向就绪转换。事件的 含义是由应用程序定义的，一个运行期满的定时器发信号、某个资源现在可用、 接收到某个消息等都可以作为事件。 每个扩展任务具有一定数目的事件。这个任务叫做这些事件的所有者。一个 处于等待状态的扩展任务只有当它所等待的至少一个事件发生时才可能转换到 就绪状态。如果一个处于运行状态的任务企图等待一个事件，并且这个事件己经 发生了，那么这个扩展任务就将继续处于运行状态。事件的所有者可以是任意不 处于挂起状态的扩展任务，并且在任何情况下一个事件只能被它的所有者清除。 操作系统提供设置、清除、查询事件的服务程序，而这些服务程序可以由任务、 第二类中断或者钩子( h o o k ) 函数编写。 2 3 2 4 消息机制 任务之间是通过消息实现通信的，消息是应用数据的容器，只有一个发送者， 但是可以有多个接受者。o s e k 规范将消息分为可排队和不可排队的。前者是静 态长度消息，内部数据被组织成先进先出队列，能被接受服务例程移走；不可排 队消息是不断被刷新的消息，不能被接受服务例程移走。 2 3 2 5 报警和计数器机制 报警器f 3 1 】是o s e k 为处理循环事件提供的服务机制，操作系统至少应提供 一个基于硬件或软件定时器的计数器，用于记录己经出现的滴答数。在定义报警 江苏大学硕士学位论文 器时必须设置一个计数器，另外还需赋予该报警器一个任务或一个报警反馈例 程。报警反馈例程是由应用程序提供的一个较短的函数，用于响应该报警。每当 计数器递增时，与该计数器相关的活跃报警器都要将其预先定义的触发计数值与 计数器的当前值进行比较。如果相等，依赖于系统生成时的具体配置，报警器被 触发并执行下列三种行为之一：激活与之相关的任务、为与之相关的任务设置事 件或调用报警反馈例程。 根据计数器值是相对实际计数器值还是实际计数器值，报警器分为相对报警 器和绝对报警器。同时报警器可以定义为单报警器，也可定义为周期报警器。 o s e ko s 可以定义多个报警器供应用层软件使用，而且允许用户自定义一些服 务来结束一个报警器或者是取得报警器当前的状态，图2 9 表示o s e ko s 的简 单报警器结构。 图2 9o s e k o s 简单报警器结构 2 3 2 6 中断管理机制 同很多实时操作系统一样，操作系统规范也提供了中断服务例程i s r ，以快 速响应环境变化。o s e k 操作系统规范中主要包括两类中断服务例程：中断服务 例程类型1 ( i s r l ) 和中断服务例程类型2 ( i s r 2 ) 。 i s r l ：这类中断服务例程不需要调用操作系统服务。当中断服务例程结束后， 程序从被中断处继续执行，即这类中断服务例程不影响任务的管理。这类中断服 务例程执行速度最快，开销也最小。 i s r 2 ：这类中断服务例程需要调用操作系统服务，具有更强更多的功能。如 果被中断的任务是可抢断的且在系统服务期间没有其他中断发生，那么当这类中 1 4 江苏大学硕士学位论文 断服务例程结束后需要重新执行调度，寻找最高优先级任务。 2 4 本章小结 本章首先介绍了o s e k v d x 标准的起源和发展，它的组成主要包括o s 、 c o m 、n m 和o i l 四大标准。其次从任务管理、资源管理、事件管理、消息机 制、中断机制和报警管理几个方面分析了了o s e k v d xo s 标准的运行机制，为 后面