嵌入式系統的創(chuàng )新：RTOS與MCU的協(xié)同運作

本文深入探討Green Hills可靠的RTOS與意法半導體尖端MCU之間運用資源和協(xié)同運作，為何是開(kāi)發(fā)者的最佳選擇。
Green Hills Software為意法半導體的授權合作伙伴，開(kāi)發(fā)出一套整合硬件與軟件的解決方案，為嵌入式系統開(kāi)發(fā)者提供顯著(zhù)的優(yōu)勢。此一創(chuàng )新平臺結合了Green Hills Software μ-velOSity實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）之高效能優(yōu)勢，以及意法半導體Stellar SR6車(chē)用微控制器（MCU）的先進(jìn)功能及其微控制器抽象層軟件。
可靠的RTOS與尖端MCU之間的協(xié)同運作對現代嵌入式解決方案至關(guān)重要。本文將深入探討為何這種組合是開(kāi)發(fā)者的最佳選擇。


RTOS供貨商與SoC制造商合作的價(jià)值
為確保無(wú)縫整合和優(yōu)化效能，RTOS供貨商與SoC制造商之間的緊密合作非常重要。

系統單芯片（SoC）制造商為汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域提供客制化的解決方案。他們的微控制器（MCU）往往具有超越許多實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）能力的先進(jìn)功能，但卻可能帶來(lái)設定的挑戰和兼容性的問(wèn)題。意法半導體與Green Hills自2013年開(kāi)始在RTOS與多個(gè)MCU系列整合上展開(kāi)合作，兩家公司決定結合各自技術(shù)的優(yōu)勢，大幅提升平臺的效能。這項合作使μ-velOSity能夠取得Stellar SR6 MCU最新硬件版本和文件的實(shí)時(shí)更新。

這種合作為客戶(hù)創(chuàng )造了附加價(jià)值，并加速功能創(chuàng )新和穩定性。透過(guò)無(wú)縫整合意法半導體和Green Hills的資源，確保平臺軟硬件開(kāi)發(fā)的協(xié)調一致，進(jìn)而提升客戶(hù)滿(mǎn)意度。

開(kāi)發(fā)者可以利用Stellar架構簡(jiǎn)化的左移測試，立即取得完全調校的生產(chǎn)級RTOS。MULTI整合開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）與Stellar Studio完全整合的開(kāi)發(fā)工具，加速應用開(kāi)發(fā)，同時(shí)簡(jiǎn)化除錯過(guò)程。


平臺的基礎：Stellar SR6 MCU
這個(gè)整合解決方案的核心是功能強大且安全的Stellar SR6 MCU，專(zhuān)為現代軟件定義汽車(chē)的嚴格要求而設計。


 
圖一 : Stellar封裝(編注:圖小)

軟件定義汽車(chē)的興起，創(chuàng )造了對于更高效能、更高安全性和更嚴格安全標準的需求。意法半導體為軟件定義汽車(chē)設計了一個(gè)MCU系列，Stellar MCU系列的運算能力相較上一代提升10倍。它包含專(zhuān)注于最高等級之安全性和保障功能。
Arm Cortex-R52+核心是可擴充和未來(lái)架構的基礎，期提升了運算能力。而另有可擴充的內存和無(wú)線(xiàn)更新（OTA）功能、超實(shí)時(shí)數據路由加速器，以及確保無(wú)干擾的內建硬件虛擬化。意法半導體對車(chē)用微控制器的整合設計、測試和制造確保了架構優(yōu)化，并成就了同類(lèi)最佳的功耗表現。


完美搭配：μ-velOSity RTOS
到底是什么原因使μ-velOSity成為Stellar SR6 MCU的完美搭配？μ-velOSity實(shí)時(shí)操作系統具有獨特的架構，其應用程序、中間件和驅動(dòng)程序在核心之外執行。透過(guò)這種配置，μ-velOSity可以利用意法半導體Stellar SR6 MCU的內存保護單元提供內存保護。透過(guò)確保內存空間的隔離，為安全可靠的應用程序奠定了基礎。經(jīng)過(guò)適當配置后，每個(gè)組件都不會(huì )受到其他組件故障的影響（干擾隔離）。
Green Hills和意法半導體透過(guò)提供多種不同配置，提供出色的開(kāi)箱即用體驗：包括速度、尺寸和除錯方面的優(yōu)化，以及使用意法半導體MCAL軟件的預認證樣本BSP（符合ISO 26262 ASIL D標準）。μ-velOSity由大約2000行C程序代碼和100條匯編語(yǔ)言指令所組成。軟件的高可維護性和穩定性幫助客戶(hù)充分利用SR6的長(cháng)期可用性。
μ-velOSity操作系統配備具有優(yōu)先級的搶占式排程器，使客戶(hù)能夠更輕松地享有Stellar SR6的效能，同時(shí)不減少安全性。例如，排程器可以防止優(yōu)先級反轉，并確保最關(guān)鍵的任務(wù)能夠被優(yōu)先執行。


安全BSP — 連接硬件與軟件的橋梁
μ-velOSity板級支持套件（BSP）作為應用軟件和實(shí)體硬件之間的橋梁，充當抽象化硬件細節的階層。對于安全關(guān)鍵系統，此BSP經(jīng)過(guò)精心設計，符合安全法規（如ISO 26262 ASIL D），包括防止故障的措施，類(lèi)似于實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）的需求。

BSP通常為特定硬件和特定使用情境而設計，有別于RTOS，它無(wú)法在特定使用情境之外進(jìn)行認證。這意味著(zhù)BSP會(huì )隨附特定使用情境的證書(shū)和安全手冊。BSP必須解決故障控制問(wèn)題，其驅動(dòng)程序需要采取適當行動(dòng)來(lái)緩解系統性和隨機的硬件和軟件錯誤。為了降低風(fēng)險，BSP還應充分利用硬件功能，如Stellar SR6提供的功能。

Stellar SR6主要的創(chuàng )新領(lǐng)域圍繞在功能安全，并以四個(gè)主要主軸為基礎：
● 首先，MCU的ASIL D架構，包括Cortex-R52+ CPU核心、互連和內存，經(jīng)過(guò)精心設計以高標準滿(mǎn)足ASIL D嚴格功能安全要求。
● 第二個(gè)安全主軸是硬件虛擬化支持，使虛擬機（VM）可以指派故障反應和復原，以及可根據故障類(lèi)型分配的專(zhuān)用安全腳位。
● Stellar SR6 MCU安全創(chuàng )新的第三個(gè)主軸是復制通訊接口設備，使軟件能夠執行ASIL D等級的指令。
● 最后，確保最高等級的時(shí)間精確度是系統核心原則。這是透過(guò)執行ASIL D系統時(shí)間基準來(lái)達成的。這種高度可靠的計時(shí)機制能主動(dòng)偵測并糾正任何計時(shí)偏差，以維持安全的規定。


協(xié)同運作在實(shí)際應用中的表現
意法半導體、Green Hills和Cetitec連手展現在實(shí)際軟件定義汽車(chē)中結合技術(shù)的能力，包括兩個(gè)軟件組件：Cetitec網(wǎng)關(guān)和VConverter。
汽車(chē)產(chǎn)業(yè)目前正經(jīng)歷朝向車(chē)載軟件定義網(wǎng)絡(luò )（SDN）的典范轉移。這一轉變旨在建立高速、確定性和穩定的通訊骨干。這種骨干對支持日益增加的車(chē)輛功能至關(guān)重要，同時(shí)維持低延遲、無(wú)需大幅改變現有網(wǎng)絡(luò )基礎建設。在達到這一目標之前，需要彌合汽車(chē)特定協(xié)議（如CAN、LIN、FlexRay和I/O操作）與針對服務(wù)之世界之間的鴻溝，其中大部分通訊都是透過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )技術(shù)來(lái)進(jìn)行。
Cetitec網(wǎng)關(guān)器具有高度配置性、功能豐富，并支持所有標準汽車(chē)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)和維護，Cetitec網(wǎng)關(guān)已在實(shí)際應用中經(jīng)過(guò)測試，可以輕松完成任務(wù)。其支持后期建置配置，能透過(guò)執行時(shí)更改的二進(jìn)制文件修改配置。除了標準汽車(chē)協(xié)議外，它還支持所謂的應用總線(xiàn)，可輕松兼容于具體應用。
在這個(gè)案例中，它被調整為另一個(gè)Cetitec組件VConverter。VConverter是一個(gè)將汽車(chē)特定通訊協(xié)議與Green Hills應用生態(tài)系統連接的組件。


 
圖二 : Stellar DME路由軟件堆棧的架構圖

在執行μ-velOSity的ARM Cortex-R52核心上，系統可以有效管理汽車(chē)通訊協(xié)議與Green Hills應用之間的連接，決定處理應該在內部進(jìn)行還是對外公開(kāi)。

VConverter執行的兩個(gè)功能，包括：
● 第一個(gè)功能將選定的屬性公開(kāi)，為另一個(gè)核心或網(wǎng)絡(luò )上完全不同節點(diǎn)的客戶(hù)端。在這種情況下，協(xié)議獨立于實(shí)際傳輸層。
● 第二個(gè)功能則透過(guò)簡(jiǎn)單的配置，使一個(gè)核心能夠與另一個(gè)核心交換信息。執行Cetitec網(wǎng)關(guān)的數據管理引擎（DME）核心將向執行Green Hills μ-velOSity的核心提供信息。在這里，VConverter將向外部客戶(hù)端公開(kāi)所需信息。Cetitec網(wǎng)關(guān)將在DME核心（SR6的Cortex-M4）上執行，執行功能并卸除主核心（Cortex-R52）上執行的Green Hills μ-velOSity。

DME核心可用于特定功能或路由應用，為應用開(kāi)發(fā)卸除主核心。VConverter可進(jìn)行核心之間的通訊。該組件運作于執行μ-velOSity的R52核心和DME核心，使CEITEC網(wǎng)關(guān)能夠與運行在μ-velOSity的應用程序進(jìn)行有效通訊。它抽象化了DME的功能，因此在μ-velOSity內執行的應用程序不會(huì )察覺(jué)它們正在與DME交換信息。
這個(gè)解決方案利用Stellar SR6的多核心架構和μ-velOSity的效能，以及Cetitec的網(wǎng)絡(luò )解決方案，完成高度可配置和高效網(wǎng)絡(luò )之軟件定義汽車(chē)的成功轉型。