OSEK/VDX標準與車(chē)控電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

1 簡(jiǎn)介

汽車(chē)工業(yè)是技術(shù)密集、資金密集、綜合性強、附加值高、經(jīng)濟效益好的產(chǎn)業(yè)。汽車(chē)工業(yè)的水平與規模是一個(gè)國家綜合國力的體現。據統計，2002年，中國汽車(chē)的生產(chǎn)量為325萬(wàn)輛;2003年1至8月，國內汽車(chē)產(chǎn)量272.8萬(wàn)輛，同比增長(cháng)36%;轎車(chē)銷(xiāo)售量占國內汽車(chē)銷(xiāo)售量的42.5%。我國已成為世界第五大汽車(chē)生產(chǎn)國。

汽車(chē)電子化是現代汽車(chē)發(fā)展的重要標志之一。目前世界每輛汽車(chē)采用電子裝置的情況已成為衡量這部汽車(chē)水平高低的主要標志。國外汽車(chē)電子系統在汽車(chē)價(jià)格中所占比例已達 30%以上(我國目前僅為10%以?xún)?，而且這一比例還在不斷擴大。為了加強市場(chǎng)競爭能力，國外廣泛采用 16～32位微處理器，以及廣泛采用更先進(jìn)的傳感器，使汽車(chē)的功能從對汽車(chē)自身的控制管理擴大到“汽車(chē)-人-環(huán)境”這樣一個(gè)大系統的信息獲取、處理和控制。與國外相比，我國的汽車(chē)電子工業(yè)起點(diǎn)低，技術(shù)裝備水平較低，沒(méi)有掌握核心技術(shù)。伴隨著(zhù)我國汽車(chē)需求的強勁增長(cháng)，我們應抓住國外汽車(chē)生成基地向我國轉移的機遇，大力發(fā)展自主產(chǎn)權的汽車(chē)電子控制技術(shù)，促進(jìn)我國汽車(chē)電子控制產(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平升級。

2 汽車(chē)電子產(chǎn)品的分類(lèi)及嵌入式技術(shù)應用

按照對汽車(chē)行駛性能作用的影響劃分，可以把汽車(chē)電子產(chǎn)品歸納為兩類(lèi)。一類(lèi)是車(chē)控電子——汽車(chē)電子控制裝置。汽車(chē)電子控制裝置要和車(chē)上機械系統進(jìn)行配合使用，即所謂“機電結合”的汽車(chē)電子裝置。它們包括發(fā)動(dòng)機、底盤(pán)、車(chē)身電子控制，例如電子燃油噴射系統、制動(dòng)防抱死控制、防滑控制、牽引力控制、電子控制懸架、電子控制自動(dòng)變速器、電子動(dòng)力轉向等。另一類(lèi)是車(chē)載電子——車(chē)載汽車(chē)電子裝置。車(chē)載汽車(chē)電子裝置是在汽車(chē)環(huán)境下能夠獨立使用的電子裝置，與汽車(chē)本身的性能并無(wú)直接關(guān)系。它們包括汽車(chē)信息系統(行車(chē)電腦)、導航系統、汽車(chē)音響及電視娛樂(lè )系統、車(chē)載通信系統、上網(wǎng)設備等。

汽車(chē)電子的技術(shù)基礎是嵌入式技術(shù)。在過(guò)去的幾十年里，嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速。隨著(zhù)后PC時(shí)代的來(lái)臨，計算廣泛的嵌入到應用中去，嵌入式系統將成為未來(lái)計算的主要存在方式。應用的牽引和計算環(huán)境的變遷推動(dòng)了嵌入式技術(shù)的發(fā)展。嵌入式技術(shù)與行業(yè)的結合又帶動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展。汽車(chē)的電子化、信息化是嵌入式技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的應用。

車(chē)控電子產(chǎn)品是一個(gè)個(gè)分布在汽車(chē)上的電子控制單元(ECU)、智能傳感器(Smart Sensor)等功能單元器件。這些器件通過(guò)總線(xiàn)連接在一起組成一個(gè)子系統。它們可以以適合自己的協(xié)議，如Lin、J1939等進(jìn)行通信。不同的子系統也通過(guò)總線(xiàn)組成更大的網(wǎng)絡(luò )。其中智能傳感器(Smart Sensor)是一個(gè)以工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎，以CPU為處理核心，以數字通信為變送方式的傳感器和變送器的統一體。與傳統的Sensor相比，Smart Sensor增加了數字通信功能，面向網(wǎng)絡(luò )，具有聯(lián)網(wǎng)功能。

3 車(chē)控電子產(chǎn)品系統平臺——OSEK/VDX

為了滿(mǎn)足日益龐大復雜的汽車(chē)電子控制軟件的開(kāi)發(fā)需要，實(shí)現應用軟件的可移植性和不同廠(chǎng)商的控制模塊間的可兼容性。1993年，德國汽車(chē)工業(yè)界聯(lián)合推出了汽車(chē)電子的開(kāi)放式系統及接口——OSEK/VDX(Open Systems and the Corresponding Interfaces For Automotive Electronics)規范，旨在為汽車(chē)上的分布控制單元提供一個(gè)開(kāi)放結構的工業(yè)標準。OSEK/VDX 規范從實(shí)時(shí)操作系統RTOS(RealTime Operating System)、軟件接口、通信和網(wǎng)絡(luò )管理等方面對汽車(chē)的電子控制軟件開(kāi)發(fā)平臺作了較為全面的定義與規定。

它所提出的一整套解決方案是未來(lái)汽車(chē)電子軟件開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向。目前，一些公司推出了符合OSEK/VDX規范的操作系統并得到了OSEK /VDX委員會(huì )的認證，如 OSEK Works、OSEKOS、OSEKTurbo等。OSEK/VDX標準包括以下四部分：OSEK/VDX操作系統規范(OSEK Operating System，OSEK OS), OSEK/VDX通信規范(OSEK Communication，OSEK COM), OSEK/VDX網(wǎng)絡(luò )管理規范(OSEK Network Management，OSEK NM)以及OSEK/VDX實(shí)現語(yǔ)言(OSEK Implementation Language，OSEK OIL)。采用符合OSEK/VDX標準的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統可以提高產(chǎn)品代碼的復用率、降低開(kāi)發(fā)成本、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。使用兼容OSEK/VDX標準的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的應用架構如圖1所示。

圖1 兼容OSEK/VDX規范的操作系統應用架構

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下面分別對OSEK規范的操作系統部分(OS)、通信部分(COM)、網(wǎng)絡(luò )管理部分(NM)、實(shí)現語(yǔ)言部分(OIL)、運行調試接口部分(ORTI)等進(jìn)行介紹。

3.1 OSEK OS規范

OSEK OS規范定義操作系統內核的實(shí)現機制和應用編程接口(API)，包括任務(wù)管理機制、中斷處理機制、事件機制、資源管理機制、報警器管理機制等及相關(guān)標準的應用編程接口。OSEK OS規范的實(shí)現機制見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.dpj.com.cn。

3.2 OSEK COM規范

OSEK COM規范(OSEK Communication Specification)為汽車(chē)ECU應用軟件提供了統一的通信環(huán)境。通過(guò)定義應用軟件通信接口以及ECU內部通信和ECU外部通信，OSEK COM規范提高了應用軟件模塊的可移植性。OSEK COM 提供了多種服務(wù)，以方便在任務(wù)與任務(wù)之間、中斷服務(wù)程序與中斷服務(wù)程序之間以及任務(wù)與中斷服務(wù)程序之間發(fā)送數據。

OSEK COM 規范的目的是支持應用軟件的移植性、重用性和相互合作性。應用程序接口隱藏了內部和外部通信的區別，同樣也隱藏了不同的通信協(xié)議、總線(xiàn)系統和網(wǎng)絡(luò )。

OSEK COM中的通信是基于消息的。消息包括了特定應用的數據。消息和消息屬性通過(guò)OSEK實(shí)現語(yǔ)言(OIL)靜態(tài)配置。消息的內容和使用方法與OSEK COM無(wú)關(guān)。OSEK COM允許0長(cháng)度的消息存在。在內部通信情況下，交互層IL(Interaction Layer)使消息數據立即發(fā)送到接收方。在外部通信情況下，IL將1個(gè)或多個(gè)消息壓縮成指定的交互層協(xié)議數據單元(IPDU)，并把它們傳遞到下層處理，如圖2所示。 內部通信的功能性是外部通信功能性的子集。交互層里的消息管理者是基于消息對象的。消息對象存在于發(fā)送端的是“發(fā)送消息對象”，存在于接收端的是“接收消息對象”。

圖2 OSEK COM中消息發(fā)送和接收的簡(jiǎn)單模型

交互層和下層通信的數據被組織稱(chēng)IPDUs，包括一個(gè)或多個(gè)消息。一個(gè)消息必須占據在IPDU中連續的位而且不能被分離，在IPDUs中交叉。在IPDUs中消息被位排列。消息的大小在位中說(shuō)明。交互層提供了應用程序接口(API)來(lái)處理消息，API包括初始化、數據傳送和通信管理的服務(wù)。在網(wǎng)絡(luò )上傳送消息的服務(wù)是非阻塞的，一個(gè)發(fā)送消息的服務(wù)可能不能返回一個(gè)最終的發(fā)送狀態(tài)，因為網(wǎng)絡(luò )中的傳送仍在進(jìn)行之中。OSEK COM為應用程序提供了通知機制來(lái)決定傳送或接收的狀態(tài)。

3.3 OSEK NM規范

對于由不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的汽車(chē)ECU產(chǎn)品，它們有通過(guò)串行數據交換連接成網(wǎng)絡(luò )的趨勢。因此，為了避免重復勞動(dòng)和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，需要有一個(gè)基礎性的標準。OSEK NM規范(OSEK Network Management system specification)為提高ECU產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò )互連能力提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò )連接標準。OSEK NM任務(wù)的目的是提高ECU產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò )通信的安全性和可靠性。OSEK NM規范規定了網(wǎng)絡(luò )管理的機制和應用編程接口(API)。采用OSEK NM規范的ECU產(chǎn)品具有以下功能：

◆ 經(jīng)過(guò)授權后，每一個(gè)節點(diǎn)必須是可以訪(fǎng)問(wèn)的;

◆ 在允許訪(fǎng)問(wèn)失敗的情況下，具有最大容忍限度;

◆ 支持網(wǎng)絡(luò )診斷。

作為一個(gè)基礎的配置，遵守OSEK規范的網(wǎng)絡(luò )管理實(shí)現必須應用在網(wǎng)絡(luò )的所有節點(diǎn)。每一個(gè)節點(diǎn)都能在規定的間隔內獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)信息。 OSEK NM為網(wǎng)絡(luò )監控提供了兩種機制：一種是通過(guò)監控應用的消息進(jìn)行間接監控;另一種是對于特定的網(wǎng)絡(luò )管理利用標記機制進(jìn)行直接監控。OSEK NM包括以下部分：

◆ OSEK NM與應用程序的接口(API);

◆ 節點(diǎn)監控的算法;

◆ OSEK NM與OSEK COM的接口;

◆ 轉換到睡眠狀態(tài)的算法;

◆ OSEK NM協(xié)議數據單元(NMPDU)。

圖3說(shuō)明了OSEK NM在整個(gè)系統中的位置及其與其他部分的關(guān)系。

圖3 OSEK NM在系統中的位置

3.4 OSEK實(shí)現語(yǔ)言規范

為了達到軟件可移植的目標，OSEK OIL規范(OSEK Implementation Language Specification)定義了一種配置和使用OSEK應用的方法。圖4表示了一個(gè)遵守OSEK規范的應用開(kāi)發(fā)過(guò)程。OIL文件可以是手寫(xiě)的或者是系統配置工具產(chǎn)生的。

圖4 基于OSEK規范的應用開(kāi)發(fā)過(guò)程

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OIL提供一種在特定CPU中配置OSEK應用的機制。每個(gè)CPU對應一個(gè)OIL描述，所有的OSEK系統對象用OIL對象來(lái)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(gè)OIL對象定義了所有標準屬性。每個(gè)OSEK應用可以定義附加的特殊執行屬性和引用。每個(gè)OSEK應用可以限制每個(gè)屬性的取值范圍。

OIL中的對象包括：CPU(處理器)、OS(操作系統)、Appmode(應用模式)、Isr(中斷服務(wù))、Resource(資源)、 Task(任務(wù))、Counter(記數器)、Event(事件)、Alarm(報警器)、Com(通信子系統)、Message(消息)、Ipdu(交互層協(xié)議數據單元)、NM(網(wǎng)絡(luò )管理)。

3.5 OSEK ORTI規范

OSEK ORTI規范(OSEK RunTime Interface Specification)為OSEK操作系統開(kāi)發(fā)工具提供了統一的接口。通過(guò)OSEK ORTI，使調試工具可以獲取和顯示操作系統的運行狀態(tài)和性能、各種任務(wù)的狀態(tài)、各種操作系統對象的狀態(tài)等信息。ORTI文件是由系統生成器在系統生成階段產(chǎn)生的。ORTI使用KIOL語(yǔ)言將操作系統內核信息傳遞給調試器，同時(shí)為OSEK標準對象定義了一些的語(yǔ)法規則。ORTI信息是通過(guò)ASCII文本文件提供的。由于OSEK/VDX是基于靜態(tài)配置的，因此，ORTI不支持動(dòng)態(tài)的表示和配置數據。

OSEK ORTI規范包括Part A和Part B兩部分：Part A介紹了ORTI為調試工具定義的操作系統內核對象的語(yǔ)言(Kernel Object Interface Language，KOIL);Part B描述了OSEK/VDX標準對象、屬性和它們的含義。

3.5.1 ORTI文件結構

ORTI文件包含版本信息部分、聲明部分和信息部分。版本信息部分描述了KOIL和內核的版本。對于ORTI來(lái)講，內核的版本是ORTI標準的版本號。聲明部分聲明ORTI實(shí)現中使用的內核類(lèi)型，相當于C語(yǔ)言中的結構聲明。它描述了訪(fǎng)問(wèn)內核對象所包含數據的方法。該部分詳細說(shuō)明了給定屬性的顯示名稱(chēng)。信息部分包含了所有給定系統聲明部分所聲明的方法，描述了計算或引用所需屬性的方法。信息部分還提供了所需屬性的靜態(tài)值和表達式。

3.5.2 標準的ORTI對象及屬性

OS對象，包含正在運行的任務(wù)、正在運行的優(yōu)先級、正在運行的中斷處理程序、操作系統服務(wù)、最近的錯誤、當前應用的模式等屬性。

任務(wù)對象，包含優(yōu)先級、狀態(tài)、堆棧、活動(dòng)狀態(tài)、上下文等屬性。

上下文對象，包含地址、大小等兩個(gè)屬性。

堆棧對象，包含大小、基地址、堆棧方向、填充模式等四個(gè)屬性。

報警器對象，包含報警時(shí)間、周期、狀態(tài)、動(dòng)作、記數器等五個(gè)屬性。

資源對象，包含狀態(tài)、資源鎖、優(yōu)先級等三個(gè)屬性。

消息容器對象，包含消息名稱(chēng)、類(lèi)型、隊列大小、隊列記數器、當前消息地址等五個(gè)屬性。

4 車(chē)控電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程

車(chē)控電子產(chǎn)品是軟硬件結合的嵌入式系統。為了節約資源，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，一般應采取軟硬件同步開(kāi)發(fā)的方案，如圖5所示。車(chē)控電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工具對軟硬件的同步開(kāi)發(fā)、調試提供了很好的支持。車(chē)控電子產(chǎn)品的軟件開(kāi)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。車(chē)控電子產(chǎn)品的硬件開(kāi)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(guò)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(jìn)行軟硬件集成調試。通過(guò)這種開(kāi)發(fā)方式，縮短了產(chǎn)品上市的時(shí)間。

圖5 軟硬件并行的開(kāi)發(fā)方案

目前，汽車(chē)車(chē)控電子產(chǎn)品軟件開(kāi)發(fā)流程是“V”形開(kāi)發(fā)流程，如圖6所示。“V”形開(kāi)發(fā)流程分為五個(gè)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。

圖6 車(chē)控電子產(chǎn)品軟件開(kāi)發(fā)流程

在功能設計階段使用的主要工具是MATLAB。通過(guò)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(wù)，并進(jìn)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(xiàn)的仿真工作。在開(kāi)始該階段之前，需要使用Real Time Workshop、Targetlink等工具完成由Simulink、Stateflow等產(chǎn)生的代碼向標準 C代碼的轉換工作。在進(jìn)行向標準 C代碼的轉換過(guò)程中，可以根據需要加入符合OSEK規范的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。在代碼生產(chǎn)階段使用的主要工具是CodeWarrior。通過(guò)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(chǎn)品代碼的轉換工作。圖7表示了車(chē)控電子產(chǎn)品的代碼生成過(guò)程。

圖7 車(chē)控電子產(chǎn)品代碼生成過(guò)程

結語(yǔ)

我國自主發(fā)展汽車(chē)車(chē)控產(chǎn)品尚處于起步階段。本文簡(jiǎn)要介紹了車(chē)控產(chǎn)品的系統平臺——OSEK/VDX規范，并給出了一個(gè)基于OSEK/VDX規范的簡(jiǎn)單的車(chē)控電子開(kāi)發(fā)模型。在這個(gè)模型中，要求開(kāi)發(fā)者熟練使用國際上主流的開(kāi)發(fā)工具，以提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

參考文獻

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4 Connecting Simulink to OSEK/VDX: Automatic Code Generation for RealTime Operating Systems with TargetLink, Lutz K ster, Thomas Thomsen, Ralf Stracke, http://www.dspace.com

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