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1 OSEK操作系統研究現狀及相關工作 OSEK／VDX標準產生以后，很多操作系統供應商對其進行研究，并實現了商業化，例如國外：Elektrobit Auto—motive、 Accelerated Technology、dSPACE、 ETAS、Metrowerks、Hitex、iSYSTEM、Lauterbach Datentechnik、Vector、windRiver等公司。這些公司的OSEK操作系統產品都通過了OSEK官方認證，并提供了配套的集成開發環境來方便應用程序的開發。 國內依據OSEK／VDX開發的操作系統內核，大部分參考了μC／0S操作系統內核的設計或者是在它的基礎上修改的，也有在Linux的基礎上修改的。國內OSEK操作系統配套的集成開發環境很少，目前有浙江大學開發的SmartIDE、清華大學開發的清華車用集成開發環境等，其他的基本上沒有配套的集成開發環境。因此目前國內對OSEK標準的研究和應用還處于初級階段。 由于購買商業化的 OSEK需要大量資金，并且很多時候不能獲取源代碼，因此希望有一些開源OSEK操作系統來滿足研究的需要。現有的OSEK操作系統的開源實現，有 PICosl8，一個OSEK／VDX OS 2．1r1的部分實現。它專門為PICl8XXX系列微控制器設計，針對該系列微控制器硬件，特別是在內存使用方面作了高度優化。但是，它的定制能力很差，并且移植到其他平臺時代碼修改量很大。另外還有openOSEK項目，但是該項目一直沒有開發出正式發布的版本。 Trampoline 主要是由法國通信研究所(IRCCyN)的實時系統組負責開發的。它的源代碼是開放的，能夠兼容OSEK／VDX OS 2．2．3標準(當前最新版本為1．1)。它目前還沒有通過OSEK／VDX的官方認證，因此只能說它兼容OSEK標準，而不能說它是通過OSEK認證的操作系統。Trampoline目前能夠在4個平臺上運行，分別是POSIX(包括Linux、Unix、Mac OS等)系列操作系統平臺、Infineon C166平臺、Freescale s12x平臺、Darwin／PowerPC平臺，其中在POSIX系列操作系統上運行時需要libpcl庫的支持。因此，即使沒有微控制器，也可以在常見的Linux／x86平臺上使用Trampoline。 要對整個OSEK／VDX標準進行研究，對OSEK操作系統的研究是基礎。只有有了一個可以使用的OSEK操作系統，才能在它的基礎上進行COM、NM及OIL標準的研究，才能進行OSEK操作系統應用程序開發、汽車電子集成開發環境的開發等方面的研究。Trdmpo1ine能夠在Linux平臺上運行，并且有一個可用的GOIL OIL文件解析器，可以作為進行OSEK／VDX標準研究的基礎。 2 OSEK OS及Trampoline分析 OSEK 操作系統是一種單處理器操作系統，主要用于汽車電子的分布電子控制單元ECU(E1ectronic Contr01 Unit)上。 OSEK 操作系統對不同版本OSEK操作系統提供的應用程序接口進行了標準化，這樣，為一個OSEK操作系統設計的應用程序不用修改就可以移植到其他OSEK操作系統上運行。 為了使OSEK操作系統能夠在有不同計算能力(不同CPU、不同存儲容量)的ECU上運行，OSEK定義了4個符合類，分別是BCCl、ECCl、 BCC2、ECC2。每一個符合類包括一組操作系統特性，代表一類應用程序的需求，也包含了這些操作系統特性運行所需要的硬件需求。使用符合類的概念既方便用戶根據自己的需求及自己的硬件條件來選擇符合自己需要的操作系統特性集合，也使得操作系統供應商可以先提供一部分操作系統，也就是先提供對部分符合類的支持，然后再增加更多操作系統特性，支持其他符合類，從而方便了操作系統的開。 OSEK操作系統是靜態配置的，而不是動態生成的，用戶在系統生成階段能夠使用OIL語言對系統進行配置，指定系統里使用多少個任務、使用哪些資源、需要調用哪些系統服務等。通過這種方式，用戶可以選擇需要的部分，裁剪掉不需要的，以減少不必要的系統資源。另外，由于系統是靜態生成的，既減少了動態生成系統對象的開銷，減少系統內存的使用，又可以使系統運行時的行為可預知，提高系統的可靠性和確定性。 由于OSEK操作系統是靜態生成的，系統運行時的很多信息在系統生成階段就可以確定，于是它提供的任務間同步和通信方法比其他常用的嵌入式實時操作系統要少。它用OSEK PCP(Priority Ceiling Protocol)協議來同步資源的并發訪問，從而提供了任務與ISR 之間及ISR與ISR之間共享資源的機制。另外，OSEK操作系統還提供了完善的錯誤處理機制，提高了系統的可靠性和容錯能力。 Trampoline 完全支持OSEK標準要求，實現了OSEK操作系統統一的API接口，支持靜態配置，支持4個符合類，支持OSEK PCP協議。另外，Trampoline的設計還考慮到兩個方面——高可移植性和減少內存使用量。 為了達到高可移植性，Trampoline設計了一個硬件抽象層來隔離底層的硬件差異，把平臺有關的代碼與平臺無關的代碼進行隔離。把Trampoline從一個目標平臺移植到另一個目標平臺，僅需要把與目標平臺有關的那部分代碼改寫一下就可以了，硬件抽象層之上的那部分不用修改，這大大減少了操作系統移植的工作量。在 Trampoline代碼的組織中，不同目標平臺代碼放在不同的文件中，分離得很清楚。與目標平臺有關的代碼，僅僅是任務上下文切換、操作系統初始化及一些與硬件相關的函數(中斷使能、睡眠模式等)代碼。這部分代碼量減到了罪少。 由于車載嵌入式系統中的微控制器RAM容量很小，一般從幾百字節到幾K字節，而增加RAM容量會增加產品的成本，在產品批量生產時往往會難以接受。Trampo-line在設計時盡量減少內存的使用，并優化了任務管理和中斷管理的數據結構，把一部分不變的內容放到ROM中，以減少RAM的使用要求。 下面著重分析Trampoline最核心的調度機制、任務管理、中斷管理的設計與實現。 2．1 調度機制 Trampoline使用靜態優先級調度算法。在系統生成階段，用戶為每一個任務分配一個優先級。在不同的符合類下，優先級與任務的對應關系不同。在BCCl和ECCl符合類下，一個優先級僅對應一個任務，不同的任務有不同的優先級，任務之間不能共享優先級；而在BCC2和ECC2符合類下，一個優先級可以對應多個任務，不同的任務可以共享同一個優先級。任務有4 種狀態：就緒狀態、等待狀態、掛起狀態(僅ECCl和ECC2符合類下有)及運行狀態。 由于使用處于等待或者掛起狀態的任務時直接給出了該任務結構，因此Trampoline沒有使用數據結構來管理等待狀態和掛起狀態的任務；而對于就緒狀態的任務，在不同的符合類下，Trampoline 采用了兩種不同的數據結構來管理。由于在BCCl和ECCl符合類下不同的任務有不同的優先級，Trampoline使用一個簡單的鏈表，按照任務的優先級由高到低把就緒態任務描述符給連接起來；而在BCC2和ECC2符合類下，幾個任務可以共享一個優先級，Trampoline使用了一個任務子集鏈表數據結構來組織就緒任務。共享一個優先級的任務組成了一個任務子集，它們也組成了一個鏈表。然后把不同子集的鏈表表頭按優先級由高到低鏈接起來，組成了所有就緒任務的鏈表，如圖1所示。由于按照優先級由高到低的順序來組織任務子集鏈表，因此最高優先級的任務總是在鏈表頭部，這樣會使調度器能快速選取到最高優先級的任務，但也會導致低優先級任務選取得很慢。 Trampoline使用一個tpLrLinning—task指針指向當前正在運行的任務。調度器管理著就緒任務的集合，當重新調度發生時，從就緒任務集合中選取一個最高優先級的任務來執行，并把它從就緒任務集合里刪除。然后，tpl_run-nling_task指針指向該任務，并把任務的狀態由就緒態改為運行態。該任務將一直處在運行狀態，直到運行結束或一個系統服務阻塞了它的執行，或被一個更高優先級任務搶占。另外，一個任務可以是不可搶占的。在這種情況下，它將一直占有CPU，直到運行結束(即使有一個更高優先級就緒任務在等待)。Trampoline也支持使用任務組的結構來實現混合調度。在這種調度模式下，把所有就緒任務分成不同的任務組，同一個任務組里的任務之間是不可搶占的，但它可以被這個組外的更高優先級任務搶占。 
2．2 任務管理 Trampoline使用任務描述符結構 (struct tpl_task)來管理任務的信息，其中包括系統運行時不斷變化的信息，如任務狀態、任務優先級、任務的激活次數、任務的資源、任務的事件等；還包括系統運行時不變的信息，如任務的上下文、任務的堆棧、任務代碼段入口地址、任務ID、任務基礎優先級、最大激活次數和類型等信息。為了減少內存的使用，Trampoline任務描述符結構被分成圖2所示的兩個部分：第一部分是系統運行時不斷變化的數據，保存在tpl_exec_common結構里，它必須常駐RAM中；另一部分是在系統運行時不變的部分，保存在tpl_execl_static結構里。在tpl_exec_common結構里設置了一個指針staticdesc，指向任務的tpl_exec_static結構。由于tpl_exec_static里存放的信息在系統運行時是不變的，因此可以把這部分放到ROM里，以節省RAM的使用。在tpl_exec_static結構里有兩部分是體系結構相關的，即上下文結構context和堆棧結構stack，它們使用指向一個或多個RAM區域的指針來保存任務執行的上下文和堆棧信息。這種設計使得不同的任務之間可以通過共享指向上下文或堆棧結構的指針就能共享上下文和堆棧，從而可以減少任務上下文和堆棧所占用的存儲空間。另外，Trampoline上下文結構的設計可以使用盡可能少的 RAM。例如，如果目標平臺處理器沒有FPU(浮點處理器)，Trampoline上下文結構有兩個指針，第一個指向整數上下文的RAM區域，第二個指向浮點上下文RAM區域，這些RAM區域都是用來保存任務運行時要使用的整數寄存器或浮點寄存器的。然而，并不是每個任務都需要使用浮點寄存器，如果任務沒有使用FPU，第二個指針將會設為空，以避免分配浮點寄存器所占用的RAM空間。任務上下文和堆棧結構都屬于與體系結構有關的代碼，內核不直接同這部分打交道，而是通過硬件抽象層來使用它們。這樣，使得與體系結構相關的代碼與無關的代碼隔離起來，從而便于把它移植到其他平臺。
2．3 中斷管理 在OSEK操作系統中，ISR(Interrupt Service Rou-tine)分成了兩類，即ISRl和ISR2。ISRl不使用操作系統服務，也不能調用其他的用戶定義函數。該類中斷服務例程執行完了以后直接執行中斷發生位置后的下一條指令，因此ISRl對任務管理沒有影響，運行時消耗的資源也比較少。ISR2是可以調用其他用戶定義的函數或使用部分OSEK服務的中斷例程，OSEK操作系統專門為它準備了一個堆棧Frame，用作調用其他函數的執行環境。在系統生成階段，由用戶指定ISR2要調用的用戶定義函數或系統調用。ISR2能夠和任務之間共享資源，而這可能會造成死鎖：當ISR2啟動后試圖獲得一個已經被一個任務占用的資源時，該任務也在等待中斷完成，因此ISR2和任務之間共享資源時需要使用同步機制。OSEK操作系統提供了用于資源訪問的GetResource和ReleaseResource 系統調用，任務和ISR2之間可以使用它們來共享資源，但是這種方法需要關閉訪問資源的中斷，可能使中斷長時間關閉，降低了操作系統的實時響應能力。另一種任務和ISR2之間共享資源的方法是OSEK標準所建議的方法，也就是使用OSEK PCP協議。使用這種方法時，當一個任務要獲取同ISR2共享的資源時，會把它的優先級提升到比ISR2更高的優先級，當任務執行完成之后，再把優先級恢復到原來的優先級。這時ISR2更像任務，但是比普通任務有更高的優先級。 Trampoline實現了一種延遲的ISRl和ISR2，從而使操作系統內核更小。任務和ISR的描述符都繼承自一個tpl_exec_common結構，如圖2所示。任務描述符在tpl_exec_common 結構里增加了事件管理的數據成員，也就是evt_set和evt_wait數據成員；而ISR描述符在tpl_exec_common結構里增加了一個指向附加數據的指針，也就是static_isr_desc數據成員，static_isr_desc指向的內容可以放到ROM中，以減少RAM的使用。一個ISR對應著一個中斷向量。當一個中斷觸發時，Trampoline激活對應的ISR中斷服務例程并且返回。如果是ISRl，執行完了以后將執行觸發中斷位置后面的代碼；如果是ISR2，ISR2將運行預先定義的用戶定義函數或者系統服務，然后像普通任務一樣由調度器根據任務級的調度策略來調度執行。 另外，Trampoline為ISR增加了一個抽象層。這樣，一方面幾個硬件中斷可以共享相同的中斷向量偏移，另一方面對應到一個中斷向量偏移的，有一個 ISR的集合，而不是一個ISR。當一個硬件中斷觸發時，為了找到一個與該硬件中斷匹配的ISR，每組共享中斷偏移的ISR都必須提供一個函數來測試它對應的設備中斷標志是否為真。如果函數返回TRUE，該ISR將被激活。Trampoline設計了一種GIH(General Interrupt Handler)函數來完成這種測試工作。 而這樣做有兩個問題。第一，由于ISR2的后期執行是在任務態運行，這時如果有一個硬件中斷觸發，就會由GIH來確定一個ISR來執行，從而打斷了原來的ISR2。即使后來觸發的ISR的優先級比原來ISR2的優先級低，這種情況也能發生。這就造成了一個低優先級的硬件中斷搶占了高優先級的中斷，而這種情況是不應該發生的，因此是一個很大的問題。第二，根據OSEK操作系統標準，當ISR運行時，不能進行重新調度。在Trampoline中，ISR2作為高優先級的普通任務進行調度，當一個高優先級ISR2到來時，任務調度器會重新調度一次，從而打斷了原來的ISR2的執行。另外，在OSEK操作系統標準中，重新調度是在任務之間的重新調度；而在Trampoline中，只要有一個ISR2在運行，重新調度只能在有比普通任務更高優先級的ISR2之間進行。當最后運行的ISR2結束時，CPU的重新調度才給了有最高優先級的任務，因此，Trampoline的中斷管理部分的實現還有待改進。 3 在Linux／x86上開發Trampoline應用程序 Trampoline 目前可以在四種目標平臺上使用：帶有Keil編譯器的Infineon C167、Darwin／PowerPC、Freescale$12x和POSIX系列操作系統平臺。前三種平臺的硬件不常見，如果沒有就不能運行；而 POSIX系列的Linux／x86平臺則很容易得到。下面以Linux／x86平臺為例，說明開發一個Trampoline應用程序的步驟和方法： ① 生成應用程序的OIL配置文件。OSEK／VDX OS是一個靜態操作系統，系統對象需要在系統生成時定義。OIL是書寫這種定義的標準語言。它可以定義所有的應用程序使用的各種對象(任務、中斷、警報、計數器、資源、事件等)。OIL配置文件可以手工編寫，也可以使用圖形化開發配置工具來生成。目前Trampoline沒有圖形化配置工具，只能手工編寫 OIL配置文件。 ②使用OII文件解析器GOIL將應用程序的OIL文件轉化為一個．c文件和．h文件，其主要功能是進行與應用程序相關的各種系統對象參數的定義、初始化等工作。 ③使用GCC工具鏈將②生成的文件和Trampoline操作系統內核文件及libpcl庫文件、VIPER虛擬處理器文件等進行編譯和鏈接，生成一個Linux平臺的可執行文件，也就是最終的應用程序可執行文件。 參考文獻 1. OSEK Group OSEK/VDX Operating System 2. OSEK Group OSEK/VDX Communication 3. OSEK Group OSEK/VDX Network Management 4. 查看詳情 5. 馮輝宗.張彧 OSEK 規范的實時操作系統設計 [期刊論文] -單片機與嵌入式系統應用2007(11) 6. 周曉峰.李興虎 車用實時操作系統OSEKkernel的開發 [期刊論文] -汽車工程2005(5) 7. 陳卓.熊忠陽.李銀國 基于 OSEK/VDX操作系統的任務管理機制設計 [期刊論文] -計算機工程2006(12) 8. 蔡俊良.孫曉民 一種基于 Linux的車用實時操作系統 [期刊論文] -清華大學學報(自然科學版)2004(1) 作者：太原科技大學 陳二濤 徐玉斌 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (4) |
