汽車嵌入式系統的OSEK/VDX平臺實現 - 全文

　　0 引言

　　嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗、實時性等有嚴格要求的場合。眾所周知嵌入式系統有體積小、低功耗、集成度高、子系統間能通信融合的優(yōu)點，這就決定了它非常適合應用于汽車工業(yè)領域。

隨著汽車技術的發(fā)展及微處理器技術的不斷進步，嵌入式系統在汽車電子技術中得到了廣泛應用。滿足了現代汽車電控系統功能不斷擴展、邏輯漸趨復雜、子系統間通信頻率不斷提高的要求，代表著汽車電子技術的發(fā)展趨勢。基于此綜述了汽車嵌入式系統的應用發(fā)展、開發(fā)平臺和開發(fā)流程，介紹了基于OSEK/VDX平臺的汽車嵌入式系統開發(fā)的專門技術和實現方法。

　　1 汽車嵌入式系統的應用和發(fā)展

　　汽車嵌入式系統近年來發(fā)展非常迅速，基于網絡通信和實時多任務并行處理的嵌入式高端應用越來越廣泛。汽車嵌入式系統在硬件上采用32位或64位高性能處理器，在軟件上嵌入了實時操作系統，具有功能多樣、集成度高、通信網絡化、開發(fā)快捷及成本低廉的特點，已在高檔轎車的電子控制和車載網絡通信系統方面有著一定的應用。

　　在嵌入式技術的推動下，汽車電子向網絡化、智能化、舒適化等高端應用發(fā)展日漸成熟，汽車電子控制系統功能持續(xù)擴展、邏輯漸趨復雜、子系統間通信日趨頻繁、與外界互聯互通成為汽車電子技術發(fā)展的主流和動力。嵌入式系統在汽車控制系統、通信系統、導航系統、安全系統以及娛樂系統中均得到有效應用，滿足了汽車電子強實時性、高可靠性、可維護性等需求，為整車及零部件開發(fā)提供統一的架構，充分體現了其構件化、標準化、集成化、可重用的優(yōu)勢。

　　今后汽車嵌入式系統將重點在以下幾個方面發(fā)展：

　　(1)隨著汽車局域網技術和智能交通技術的發(fā)展，嵌入式系統將會形成以C級或D級網絡為基礎的整車分布式控制系統和以無線通信為基礎的遠程高頻網絡通信系統，其應用范圍將逐步從高檔車和進口車擴展到低檔車和國產車。

　　(2)汽車嵌入式系統將會向FPGA/CPLD(在線可編程門陣列)方向發(fā)展，系統由分布式可編程互連邏輯單元構成。

　　單元之間可以交換信息，大量運算由硬件直接完成，體系結構更加靈活，集成度更高。

　　(3)在系統開發(fā)上遵循通用的汽車電子系統開發(fā)平臺和統一的標準。為了提高軟硬件通用性，加快開發(fā)速度，降低成本，嵌入式系統需要構建統一的標準與開發(fā)平臺，歐洲已頒布了汽車嵌入式系統開發(fā)平臺的OSEK/VDX標準和規(guī)范。

　　2 汽車嵌入式系統的開發(fā)平臺-OSEK/VDX

　　2.1 OSEK/VDX簡介

　　嵌入式操作系統是支持嵌入式應用的操作系統，它是一種系統軟件。OSEK(Open Systems and the Corresponding Interfaces for Au-tomotive Electronics)是針對汽車電子控制的操作系統標準，OSEK是德文縮寫詞，意思是“汽車電子的開發(fā)系統及其接口標準”。OSEK /VDX規(guī)范從實時操作系統(Real-Time Operating System，RTOS)、軟件接口、通訊和網絡管理等方面對汽車的電子控制軟件開發(fā)平臺作了較為全面的定義與規(guī)定。OSEK/VDX規(guī)范包括以下七部分：OSEK/VDX操作系統規(guī)范(OSEK Operating System，OSEK OS)，OS-EK/VDX通訊規(guī)范(OSEK Communication，OSEK COM)，OS-EK/VDX網絡管理規(guī)范(OSEK Network Management，OSEKNM)，OSEK/VDX實現語言規(guī)范(OSEK Imple-mentation Language，OSEK OIL)，OSEK/ORTI規(guī)范(OSEK Run Time Interface)，OSEK-Time規(guī)范(OSEK/VDX Time-Triggered Operating System)，OSEK FTCom規(guī)范(OSEK/VDX Fault-Tolerant Communication)規(guī)范。使用基于OSEK/VDX規(guī)范的嵌入式應用架構如圖1所示。

　　采用符合OSEK/VDX規(guī)范的嵌入式實時操作系統可以提高產品代碼的復用率、降低開發(fā)成本、縮短產品開發(fā)周期。

　　2.2 OSEK/VDX的任務管理

　　OSEK/VDX將任務分為基本任務和擴展任務?；救蝿站哂?種狀態(tài)：運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、掛起狀態(tài);擴展任務比基本任務增加一個等待狀態(tài)?；救蝿罩辉陂_始和結束時才有同步點。擴展任務運行時可能進入等待狀態(tài)，因此不僅在開始和結束有同步點，而且運行過程中可能有多個同步點。圖2所示的是擴展任務與基本任務的狀態(tài)轉化圖。

　　2.3 OSEK實現語言規(guī)范

　　為了達到軟件可移植的目標，OSEK OIL規(guī)范(OSEK Implementation Language Specification)定義了一種配置和使用OSEK應用的方法。圖3表示了一個遵守OSEK規(guī)范的應用開發(fā)過程。OIL文件可以是手寫的或者是系統配置工具產生。

OIL提供一種在特定CPU中配置OSEK應用的機制。每個CPU對應一個OIL描述。所有的OSEK系統對象用OIL對象來描述。OSEK應用的OIL描述是一組OIL對象的組合。CPU是這些OIL對象的容器。OIL明確地為每個OIL對象定義了所有標準屬性。每個OSEK應用可以定義附加的特殊執(zhí)行屬性和引用。每個OSEK應用可以限制每個屬性的取值范圍。

　　3 汽車嵌入式系統的開發(fā)流程

　　為了節(jié)約資源，縮短產品開發(fā)周期，如圖4所示，一般應采取軟硬件同步開發(fā)的方案。汽車嵌入式系統的開發(fā)工具對軟硬件的同步開發(fā)、調試提供了很好的支持。汽車嵌入式系統的軟件開發(fā)分為功能描述、軟件設計、代碼生成、操作系統環(huán)境下高級調試等步驟。汽車嵌入式系統的硬件開發(fā)分為硬件描述、硬件設計、硬件調試等步驟。當軟件設計完成后，通過使用相應的工具，完成在虛擬ECU平臺上的驗證。

　　當硬件設計完成后，與硬件一起進行軟硬件集成調試。通過這種開發(fā)方式，縮短了產品上市的時間。

　　汽車嵌入式系統軟件開發(fā)流程是“V”形開發(fā)流程。“V”形開發(fā)流程分為五個階段，即功能設計、原型仿真、代碼生成、硬件在回路仿真-HIL、標定。如圖5所示，在功能設計階段使用的主要工具是MATLAB。通過使用MATLAB提供的Simulink、Stateflow等工具，完成控制方案的設計、功能模塊的設計、控制算法的設計等任務，并進行初步的仿真模擬工作。在原型仿真階段使用的主要工具是dSPACE。使用dSPACE提供的快速控制原型-RCP工具完成離線的仿真工作。在開始該階段之前，需要使用Real Time Workshop、Targetlink等工具完成由Simulink、Stateflow等產生的代碼向標準C代碼的轉換工作。在進行向標準C代碼的轉換的過程中，可以根據需要加入符合OSEK規(guī)范的嵌入式實時操作系統。在代碼生產階段使用的主要工具是CodeWarrior。通過使用CodeWarrior提供的編譯器、調試器等工具，完成從標準C代碼向目標硬件平臺上的產品代碼的轉換工作。圖6表示了汽車嵌入式系統的代碼生成過程。

　　4 結束語

　　本文闡述了汽車嵌入式系統的應用發(fā)展、系統實現的平臺和產品的開發(fā)流程等開發(fā)技術，指出了汽車嵌入式系統的發(fā)展方向，闡述了汽車嵌入式系統的開發(fā)平臺-OSEK/VDX和汽車嵌入式系統的開發(fā)流程，總結了汽車嵌入式系統開發(fā)的專門技術和實現方法。