汽車(chē)電子OSEK配置器的設計與實(shí)現

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)對控制、通信、網(wǎng)絡(luò )管理等方面的要求越來(lái)越高，基于32位微控制器的硬件平臺、基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的軟件平臺和基于CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )通信平臺逐漸成為當今汽車(chē)電子業(yè)的主流。

1 OSEK／VDX規范簡(jiǎn)介
在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統方面，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――OS-EK／VDX規范(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“OSFK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規范從實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)、軟件接口、通信和網(wǎng)絡(luò )管理等方面對汽車(chē)電子控制軟件開(kāi)發(fā)平臺作了較為全面的定義與規定。盡管該規范還處在不斷完善中，但它所提出的一整套解決方案將是未來(lái)汽車(chē)電子軟件開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向。
為了達到OSEK軟件可移植的目標，OSEK規范中定義了配置使用OSEK應用程序的方法――通用實(shí)現語(yǔ)言OIL。OSEK配置器就是使用圖形化的用戶(hù)接口，根據用戶(hù)需求配置OIL文件，并最終生成OSEK實(shí)時(shí)操作系統初始化代碼的工具。它是開(kāi)發(fā)符合OSEK規范的實(shí)時(shí)操作系統的重要組成部分。

2 OSEK配置器的主要功能
OSEK應用程序的開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。用戶(hù)通過(guò)OSEK配置器根據軟硬件的需求，對操作系統的屬性和所有系統對象進(jìn)行靜態(tài)配置。配置完成后，OSEK配置器生成符合OSEK規范的OIL配置文件，并進(jìn)一步生成與操作系統相關(guān)的C代碼和頭文件，以提供OSEK實(shí)時(shí)操作系統初始化時(shí)必備的系統參數。為保證軟件的兼容性，OSEK配置器還能夠從外部直接讀取符合OSEK規范的OIL文件，完成生成OS靜態(tài)系統文件的過(guò)程。
用戶(hù)完成應用程序代碼編寫(xiě)和OIL文件配置后，OSEK配置器所產(chǎn)生的代碼、操作系統的部分內核和應用程序一起交叉編譯，而其他操作系統內核代碼作為一個(gè)庫，被鏈接器整合在一起。本文主要研究通過(guò)OSEK配置器生成符合OSEK規范的OIL配置文件及靜態(tài)系統文件的過(guò)程(如圖1中虛線(xiàn)部分所示)。

3 OSEK配置器的實(shí)現
3．1 圖形用戶(hù)接口GUI的實(shí)現
OSEK應用程序的OIL語(yǔ)言描述包含一組OIL對象描述，分別是CPU、OS(操作系統)、APPMODE(應用程序模式)、ISR(中斷服務(wù))、RESOURCE(資源)、TASK(任務(wù))、COUNTER(計數器)、EVENT(事件)、ALARM(警報)、COM(通信子系統)、MESSAGE(消息)、IPDU(外部通信)和NM(網(wǎng)絡(luò )管理)。其中，CPU是其余OIL對象的容器。OIL為它的對象定義了標準類(lèi)型，每一個(gè)對象都可以用一些屬性和參數來(lái)描述。
對于不同的OSEK實(shí)現，生成OIL配置文件的方法是不同的。由于用戶(hù)自己編寫(xiě)OIL文件具有一定的復雜性，因此，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中帶有一個(gè)上下文相關(guān)幫助的、可視的圖形用戶(hù)接口GUI是非常必要的。在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，一個(gè)包含GUI的OSEK配置器需要包含以下組件：
◇一張遵循Windows Explorer格式的OSEK對象清單，用戶(hù)可以根據需要添加和刪除DIL對象；
◇一個(gè)圖表，用于顯示每個(gè)對象的屬性(包括標準屬性和與實(shí)現有關(guān)的屬性)，用戶(hù)可更改對象的屬性并且實(shí)時(shí)更新OIL文件；
◇一個(gè)用于記錄和顯示的窗口。
集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的OSEK配置器工作界面如圖2所示，其數據的管理和顯示采用XML技術(shù)來(lái)實(shí)現。

XML以一種開(kāi)放的自我描述方式定義了數據結構，在描述數據內容的同時(shí)能突出對結構的描述，從而體現出數據之間的關(guān)系。它相當于一個(gè)容器，可用來(lái)存儲OSEK規范中OIL定義的各個(gè)對象。對每個(gè)OIL對象來(lái)說(shuō)，其屬性和子屬性都包含不同的數據結構，可以通過(guò)XML樹(shù)型結構方便地表示出來(lái)；而對于同一類(lèi)對象又包含相同的屬性和子屬性，可用相同的XML模板來(lái)表示。
由于XML技術(shù)可以很方便地存儲、描述和管理結構化的數據，并且有效地將數據和數據的顯示相分離，因此，在OSEK配置器中采用XML技術(shù)來(lái)實(shí)現OIL文件圖形用戶(hù)接口的配置，是非常方便和高效的。
3.2 利用XML技術(shù)配置OIL對象
基于XML的OSEK配置器，將OIL文件定義的屬性存放在初始化的XML模板文件中，并指定其默認值。當用戶(hù)添加、刪除OIL對象或者修改對象的屬性和參數時(shí)，可通過(guò)KML解析器實(shí)現用戶(hù)配置界面與XML文件的同步。其過(guò)程如圖3中虛線(xiàn)部分所示。

例如，用戶(hù)在配置一個(gè)OIL對象ALARM時(shí)，需要指定其3個(gè)屬性，分別是警報依附計時(shí)器COUNTER、警報動(dòng)作ACTION以及是否自動(dòng)啟動(dòng)AU-TOSTART。其中，ACTION和AU-TOSTART又包含各自的子屬性，使用XML技術(shù)可以很方便地管理和修改這些數據。
通過(guò)GUI配置一個(gè)報警器的屬性如下：警報依附計時(shí)器counterA，采用自動(dòng)啟動(dòng)方式，且其初次響應時(shí)間和周期響應時(shí)間分別為30ms和20 ms。OS-EK配置器通過(guò)XML解析器將這些屬性值讀取出來(lái)，并保存在XML源文件alarm．xml中。以下是此XML文件的源代碼；

3.3 利用XSLT技術(shù)生成OIL文件
用戶(hù)配置的OIL信息通過(guò)GUI保存為XML文件后，利用XSLT技術(shù)生成符合OSEK規范的OIL配置文件。XSLT文檔本身是一個(gè)良掏的XML文檔，它被鏈接到需要轉換的XML文檔上，通過(guò)XSLT處理器實(shí)現對XML文檔的解析和轉換過(guò)程。XSLT轉換的過(guò)程如圖4中虛線(xiàn)部分所示。

例如3．2節中保存ALARM配置信息的文件alarm．xml，通過(guò)定義XSL樣式表文件xml20il．xsl將其轉換為標準的OIL文件。為了保證XSL文件的通用性，對輸入XML文檔每個(gè)層次的節點(diǎn)都設計一個(gè)框架模板tem-plate，即為OIL對象的每個(gè)屬性和部分子屬性定義框架模板。這樣，當OIL對象增加和刪除時(shí)，XSL文件都可以快速地完成轉換而不需要做任何修改。使用Microsoftmsxml 4．o作為：XSLT處理器，xsl：output method=”text”indent=”no”／>定義轉換的輸出方式為文本格式。
轉換3．2節中。KML文件的部分關(guān)鍵源代碼如下：

3.4 讀取OIL配置文件和生成代碼
為了實(shí)現OIL文件的可移植性和可重用性，OSEK配置器還需要實(shí)現從外部直接讀取OIL文件(可由用戶(hù)手動(dòng)編寫(xiě)或其他OSEK實(shí)現生成)，并通過(guò)GUI顯示和修改屬性配置的功能。這個(gè)過(guò)程需要一個(gè)OIL語(yǔ)言解析器，通過(guò)解析器將OIL文件轉換成XML文件提供給GUI，并且生成與操作系統相關(guān)的C代碼和頭文件。本組件通過(guò)LEX和YACC語(yǔ)言開(kāi)發(fā)OIL語(yǔ)言解析器。
3.4.1 利用ALEX和AYAGO構造解析器
Parser Generator是Windows環(huán)境下使用LEX和YACC語(yǔ)言開(kāi)發(fā)編譯器的集成開(kāi)發(fā)工具，包含了編譯程序構造工具ALEX和AYACC。ALEX和AYACC不僅可將LEX和YACC源程序轉換成C語(yǔ)言詞法和語(yǔ)法分析程序，還可以根據用戶(hù)需要產(chǎn)生C++和Java代碼的詞法和語(yǔ)法分析程序。
OIL語(yǔ)言解析器的解析過(guò)程包括詞法分析、語(yǔ)法分析、錯誤處理和目標代碼的生成。首先根據OIL文件規范中的對象和屬性值、語(yǔ)法規則編寫(xiě)LEX和YACC源文件，通過(guò)ALEX和AYACC自動(dòng)生成以C++語(yǔ)言為代碼的詞法分析類(lèi)OilLexer和語(yǔ)法分析類(lèi)OilParser，并且重載和添加一砦類(lèi)成員函數；然后將這兩個(gè)類(lèi)加入到VC工程中，實(shí)現程序的錯誤處理和自動(dòng)代碼生成部分，從而開(kāi)發(fā)出OIL語(yǔ)言解析器。整個(gè)解析器設計原理如圖5所示。

3.4.2 詞法分析類(lèi)和語(yǔ)法分析類(lèi)的設計
在詞法分析階段，掃描程序將OIL文件中的字符序列分解，去掉空格、換行等自字符，并把識別出來(lái)的各個(gè)單詞符號收集到記號(token)單元中。若在分析過(guò)程中發(fā)現詞法錯誤，則轉入錯誤處理程序。ALEX的輸入規則文檔Lexer.l包括以下3部分：
◆聲明部分。包含所需的頭文件及詞法分析類(lèi)的定義。
◆規則部分。定義正則表達式和OIL對象的關(guān)鍵字，然后添加對相應模式處理的C++語(yǔ)言源代碼，最后將token送給語(yǔ)法分析類(lèi)OiiParser。例如：

◆程序部分。設計OIL掃描器時(shí)無(wú)需其他額外功能，因此為空。
在語(yǔ)法分析階段，語(yǔ)法分析程序從詞法分析類(lèi)中獲取記號形式的源代碼，并完成定義OIL語(yǔ)言結構的語(yǔ)法分析。AYACC輸入規格文檔Parser．y也包括3部分：聲明部分、規則部分和程序部分。在聲明部分，包含OilParser類(lèi)所需的頭文件以及聲明從詞法分析器返回的token記號。規則部分分析OIL文件的語(yǔ)法規則。OIL文件的語(yǔ)法遵循Backus-Naur范式(BNF)，對于每個(gè)OIL對象屬性的定義，其OIL實(shí)現類(lèi)似于一個(gè)C結構定義。一個(gè)OIL文件由3個(gè)模塊組成：版本、執行定義和應用程序定義。用BNF范式可表示為：

執行定義包含了一個(gè)OSEK實(shí)現的所有屬性，這些屬性的數據類(lèi)型和取值范圍可能是受限制的。因此在語(yǔ)義規則部分設置錯誤處理語(yǔ)句，對OIL對象屬性的數據類(lèi)型和取值范圍進(jìn)行檢查。ALEX和AYACC的特性，可使錯誤檢測簡(jiǎn)單、直觀(guān)地實(shí)現，并且很容易和錯誤處理類(lèi)集成，這對于從外部讀取OIL文件時(shí)進(jìn)行語(yǔ)義判斷，保證OSEK配置器的兼容性有著(zhù)重要的意義。
應用程序定義包含了一系列對象以及這些對象屬性的賦值，除了OS、COM和NM對象外，應用程序可以定義多個(gè)同一類(lèi)型的對象。根據應用程序定義規則，完成形式文法規則以及對每條規則進(jìn)行語(yǔ)義處理的C++語(yǔ)句。在處理語(yǔ)句中，根據GUI部分定義的XMI．模板格式(如圖4中的MPC．xml)，將得到的對象及其屬性值一一對應到XML的樹(shù)型結構中，從而完成OIL文件轉換為XML文件的過(guò)程。同樣，在處理語(yǔ)句中，根據操作系統中定義的接口將OIL對象及其屬性值提取出來(lái)，生成符合OSEK實(shí)時(shí)操作系統的API函數和數據結構，放在C代碼和頭文件中，從而完成整個(gè)代碼生成的過(guò)程。

4 結論
OSEK配置器的開(kāi)發(fā)是OSEK實(shí)時(shí)操作系統中的重要組成部分。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用XML技術(shù)方便管理和存儲數據的功能，實(shí)現了從可視化的GUI生成OIL文件的過(guò)程；利用OIL語(yǔ)言解析器的高教性和強大的出錯處理功能，實(shí)現了GUI從外部讀取OIL文件及代碼生成的過(guò)程，從而保證了OIL文件的可移植性、可擴展性和可重用性。此組件在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中運行穩定，這在開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的OSEK實(shí)時(shí)操作系統中具有重要的意義。