基于μC／OS-II和Simulink開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)OSEK順應(yīng)性軟件的設(shè)計

引言

現(xiàn)在V型開發(fā)模式已成為使用最廣的汽車軟件開發(fā)流程標準。這一標準流程得到許多工具的支撐，有來自Mathworks的工具，如用于功能開發(fā)和仿真的 Matlab／Simulink／Stateflow，用于自動代碼生成的Real—TimeWorkshop，以及來自dSpace的工具。硬件有用于快速控制原型開發(fā)的AutoBox和用于硬件在環(huán)測試的模塊，軟件有產(chǎn)品級代碼生成器TargetLink。它們在加快開發(fā)周期的同時，也提高了代碼的可靠性。

平臺軟件方面，OSEK OS是廣泛應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域的嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS）規(guī)范。它定義了一些基本的系統(tǒng)服務(wù)，比如任務(wù)處理、中斷服務(wù)程序（ISR）處理、資源管理、事件處理以及報警服務(wù)等。

由上可知，將Matlab／Simulink的建模和仿真環(huán)境在代碼生成階段與OSEK OS規(guī)范相結(jié)合，將極大地方便開發(fā)。這方面Matlab已有針對OSEK／VDX的嵌入式對象模塊，TargetLink也實現(xiàn)了部分結(jié)合，但兩者都局限于特定的硬件，不能應(yīng)用于不同的控制器和實時操作系統(tǒng)。

1 嵌入式軟件開發(fā)理念

符合基于模型的開發(fā)和OSEK規(guī)范的軟件架構(gòu)如圖1所示。以英飛凌XC164系列單片機為例，硬件層的核心部件由RTOS提供的系統(tǒng)服務(wù)進行管理，外設(shè)部件由相應(yīng)的驅(qū)動程序驅(qū)動。

中間層（軟件運行環(huán)境）包括兩部分，操作系統(tǒng)和硬件驅(qū)動。操作系統(tǒng)采用順應(yīng)OSEK規(guī)范的μC／OS－II（見3．1），硬件外設(shè)驅(qū)動開發(fā)在后面作介紹。

應(yīng)用程序指的是與硬件無關(guān)的軟件，含控制算法和中斷服務(wù)程序（ISR）?？刂扑惴ㄍ瓿煽刂迫蝿?wù)，形式一般為Simulink模型。該模型可以和被控對象模型一起在閉環(huán)狀態(tài)下完成功能仿真，同時也可以在代碼生成階段與硬件驅(qū)動以及操作系統(tǒng)API一起生成可在目標硬件上運行的程序。這里ISR可以有兩種類型，可以是手寫的C代碼，也可以是Simulink模型中的觸發(fā)子系統(tǒng)。在該子系統(tǒng)中的觸發(fā)源是圖1中所示的硬件層外設(shè)。

2 MATLAB環(huán)境下代碼生成流程

實時工作空間（Real－Time Workshop，RTW）代碼生成流程包含下面幾部分。

①仿真和模型文件（model．mdl）。通過手動添加C語言S函數(shù)可以擴展Simulink模型庫。

②中間描述文件（model．rtw）。該文件描述了模型中系統(tǒng)和各模塊以及它們之間的聯(lián)系，可以看作是模型文件的分層式的描述庫文件。

③目標語言編譯器（TLC）文件。目標語言編譯器讀取model．rtw文件中的信息，將模型最終轉(zhuǎn)化成源代碼。

TLC文件有兩種形式，系統(tǒng)TLC文件和模塊TLC文件。前者控制整個模型的代碼生成，比如可以指定模型生成C語言源代碼，而后者僅針對對應(yīng)的模塊。對每個手動添加的C語言S函數(shù)對象，必須有對應(yīng)的模塊TLC文件，才可用于代碼生成。

④生成的源代碼。圖2中列舉了生成的主要源代碼，其中model．c是model．mdl對應(yīng)生成的算法源代碼。

對于生成的源代碼可對其手動添加需要的ISR，或者整合一些成熟的C算法代碼，然后在Keil環(huán)境下進行編譯，生成嵌入式可執(zhí)行文件。下面將 model．mdl看作應(yīng)用程序來討論。嵌入式應(yīng)用程序主要完成兩類任務(wù)，周期性任務(wù)和事件驅(qū)動型任務(wù)。后者通常以ISR處理。

為了使Simulink模型能在RTOS中執(zhí)行，必須將其劃分成不同的任務(wù)。Targetlink中的任務(wù)劃分如圖3所示。TargetLink有兩種劃分方式，默認方式和自定義方式。默認方式下，TargetLink將模型中所有周期性的具有相同采樣時間的子系統(tǒng)劃歸為獨立任務(wù)，具有相同觸發(fā)源的觸發(fā)子系統(tǒng)結(jié)合在一起，要么和觸發(fā)源一起歸為同一任務(wù)，要么獨立成為新的任務(wù)。自定義方式下，用戶通過在子系統(tǒng)中添加特殊的“任務(wù)模塊”（見圖3中的 “TaskA”、“Task B”、“Task C”）來任意地劃分任務(wù)。

鑒于本開發(fā)是基于Matlab中針對OSEK／VDX的嵌入式對象模塊，TargetLink中的任務(wù)劃分方式不能被直接移植，因此采用函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng) （function-callsubsystem）作為獨立任務(wù)的標識，如圖4中的Task A和Task B模塊。同Simulink中其他離散模塊一樣，函數(shù)調(diào)用發(fā)生器有自己的采樣時間，用以表明該子系統(tǒng)被執(zhí)行的頻度。模型中也會有一些其他模塊不在函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)內(nèi)，如圖4中的定時模塊，以便與任務(wù)模塊相區(qū)分。圖4中ISR的部分采用觸發(fā)子系統(tǒng)，當(dāng)觸發(fā)條件滿足時該子系統(tǒng)被執(zhí)行。

3 軟件運行環(huán)境的開發(fā)

3．1 OSEK順應(yīng)性開發(fā)

近來已有很多商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)符合OSEK規(guī)范，像Wind River的OSEKWorks、Elektrobit的Pro-OSEK，還有ETAS的RTA-OSEK。鑒于成本方面的考慮，采用內(nèi)核源代碼開放的 μC／OS-II。

μC／0S-II和OSEK規(guī)范有許多共同點，比如都支持基于任務(wù)優(yōu)先級的占先式調(diào)度，都有很好的可移植性和可裁剪性。但也存在不同之處，比如OSEK規(guī)范中的BCC2和ECC2順應(yīng)等級都支持同一優(yōu)先級下的多個任務(wù)，而μC／OS-II僅支持同一優(yōu)先級下一個任務(wù)；OSEK規(guī)范對互斥資源的訪問采用最高優(yōu)先級限度協(xié)議，而μC／0S-II采用互斥信號量機制。參考文獻［6］在基于μC／OS-II的OSEK順應(yīng)性移植方面進行了實際的開發(fā)。本文采用修改過的μC／OS-II作為OSEK的一個操作系統(tǒng)實例，來討論模型的定時機制。

3．2 定時機制

Matlab／Simulink環(huán)境下RTw Embedded Coder默認采用多速率、多任務(wù)求解器來處理多采樣時間的模型。在生成的model．c文件中，有函數(shù)rate_monotonic_sehed- uler（）。該函數(shù)用于維護調(diào)度計數(shù)器，處理模型中不同采樣時間模塊的運行順序。它實際上就是操作系統(tǒng)中經(jīng)常提到的單調(diào)執(zhí)行率調(diào)度法（RMS）。

μC／OS-II中函數(shù)OSTickISR（）提供時間基準服務(wù)，用于判斷任務(wù)等待以及超時。這個中斷服務(wù)程序通常由硬件計時器驅(qū)動，中斷頻率在 10～100 Hz。在函數(shù)0S-TickISR（）中調(diào)用了OSTimeTick（）用于處理任務(wù)等待。

函數(shù)OSTicklSR（）的代碼見代碼段1：

OSTicklSR PROC INTERRUPT UCOS_OSTicklSR=Ox22

為了將兩者的定時策略相結(jié)合，可進行兩處修改。第一，在μc／OS-II中保留函數(shù)OSTickISR（），但是中斷頻率不是如代碼段1中所示的10 ms那樣的固定值，而對不同的應(yīng)用程序采用浮動的中斷頻率。這里取model．mdl中所有采樣時間的最大公約數(shù)作為模型的時間基準。這樣可以最大限度地減小系統(tǒng)因周期性的時鐘中斷OS—TickISR（）而造成的資源開銷。第二，創(chuàng)建一個新任務(wù)HighstPrioTask（）。該任務(wù)具有最高的優(yōu)先級，即任務(wù)控制塊TCB中OSTCBPrio=0，這樣在每次產(chǎn)生任務(wù)調(diào)度時都能確保該任務(wù)獲得CPU使用權(quán)。該任務(wù)可理解為在圖4中的任務(wù)子系統(tǒng)和定時模塊之上的高一級的調(diào)度任務(wù)。其偽代碼見代碼段2（Pseudocode of added task High-

3．3 創(chuàng)建自定義驅(qū)動模塊

圖1中軟件運行環(huán)境的自定義開發(fā)可以分為兩部分，一部分是實時操作系統(tǒng)的API驅(qū)動庫的自定義開發(fā)，另一部分是XCl64系列單片機的設(shè)備驅(qū)動模塊開發(fā)。兩者都可利用參考文獻［4］中提及的“自定義設(shè)備驅(qū)動”來描述。在“自定義設(shè)備驅(qū)動”的開發(fā)中，開發(fā)者通過Matlab提供的S一函數(shù)機制，為每個模塊需要手動編寫兩個源文件，即block．c和block．tlc。其中block．c負責(zé)在仿真階段進行模塊初始化及模塊輸出的計算，同時在代碼生成階段通過函數(shù)mdlRTW為model．rtw傳遞所需的參數(shù)。文件block．C中出現(xiàn)的主要函數(shù)有：

①mdlInitializeSizes，用于細化SimStruct結(jié)構(gòu)中不同參數(shù)的維數(shù)（SimStruct是指Simulink數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Sim- Struct及其相關(guān)的宏定義參見Matlab目錄下文件sim-strue．h）。

②mdlInitializeSampleTimes，用于細化該模塊的采樣時間。

③mdlOutputs：：對輸入設(shè)備來講，從硬件中讀取值加以計算并傳遞到模塊輸出端；對輸出設(shè)備而言，從上流模塊讀取數(shù)據(jù)，加以處理并寫回硬件。

文件block．tlc用來控制代碼生成過程，通過相應(yīng)函數(shù)將語句寫入生成的源文件中，代碼段3是一個例子。文件中使用的函數(shù)主要包括：％function BlockTypeSetup（block，system）void、％function Start（block，system）Output、％function Outputs

4 應(yīng)用實例

圖5是一個簡單的應(yīng)用。其中建立了兩個任務(wù)，任務(wù)ADC_SUM每0．1 S執(zhí)行1次，任務(wù)ADC_GPIO每0．5 S執(zhí)行1次。第一個任務(wù)包含一個ADC S函數(shù)模塊。該S函數(shù)屬輸入設(shè)備，并被封裝成具有圖5所示的參數(shù)輸入界面；第二個任務(wù)包含另外一個S函數(shù)模塊，GPIO，在這個應(yīng)用中為輸出模塊。

像第二部分描述的一樣，算法可以進行仿真。仿真完成后可通過RTW生成代碼（本文選擇osekworks．tlc為系統(tǒng)TLC文件，并對該文件進行了適當(dāng)修改）。生成的源代碼（包括*．c源文件和*．h頭文件）可以在Keil C166環(huán)境下聯(lián)合編譯并進行軟件調(diào)試運行，如圖6所示，這樣也便于集成傳統(tǒng)手動開發(fā)流程中成熟的算法代碼。最終圖6 Keil C166環(huán)境下編譯帶μo／os—ll的生成源代碼代碼可在目標硬件上運行。

5 結(jié)論

目前越來越多的汽車電子系統(tǒng)的開發(fā)借助Matlab／Simulink，并且其已變成標準的開發(fā)工具。本文提出的軟件開發(fā)方法基于Sireulink環(huán)境和OSEK OS規(guī)范。在Simulink環(huán)境下開發(fā)的算法可以結(jié)合OSEK RTOS（本文為修改過的μC／OS-II）直接應(yīng)用到目標硬件上。該方法已通過實例進行了驗證，與傳統(tǒng)方法比較極大地縮短了開發(fā)時間。

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