事件機制 - 基于OSEK/VDX規(guī)范的車用實時操作系統(tǒng)設計

　　事件機制用于保證不同擴展任務之間的同步。該機制含義是，一個處于等待狀態(tài)的擴展進程，只有當它所等待的事件至少有一個發(fā)生，才能進入就緒態(tài)，并且事件的發(fā)生會以信號的方式傳給該進程。只有擴展任務，才具有事件。

　　資源管理

　　具有不同優(yōu)先級的多任務訪問共享資源需要使用資源管理機制進行協(xié)調(diào)。這些資源可以是一段臨界區(qū)代碼、調(diào)度程序、共享內(nèi)存或是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可以是共享硬件設備。系統(tǒng)在處理多個進程對共享資源的互斥訪問時，采用信號量對臨界區(qū)數(shù)據(jù)或資源加鎖，但是這樣可能會導致優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。為了避免這種情況出現(xiàn)，OSEK采用了優(yōu)先級最高限度協(xié)議(PCP)，即當一個進程占用了一個資源后，該進程的優(yōu)先級會臨時升高為該資源優(yōu)先級。當該任務釋放了資源后，其優(yōu)先級回到要求訪問資源前的優(yōu)先級。使用該協(xié)議同時也解決了死鎖的問題。

　　報警器

　　報警器是OSEK為處理循環(huán)事件提供的服務機制，警報或者基于系統(tǒng)時鐘，或者基于其他的某種計數(shù)器。當計數(shù)器到達警報設置值時被觸發(fā)，此時可以激活進程也可以為某進程設置事件，或者執(zhí)行一個警報回調(diào)程序。

　　消息處理

　　任務之間是通過消息實現(xiàn)通信的，消息是應用數(shù)據(jù)的容器，只有一個發(fā)送者，但是可以有多個接受者。OSEK規(guī)范將消息分為可排隊和不可排隊的。前者是靜態(tài)長度消息，內(nèi)部數(shù)據(jù)被組織成FIFO隊列，能被接受服務例程移走;不可排隊消息是不斷被刷新的消息，不能被服務例程移走。

　　錯誤處理

　　OSEKOS提供了系統(tǒng)專用的鉤子程序，以便在操作系統(tǒng)內(nèi)部操作時執(zhí)行用戶定義的函數(shù)。鉤子程序可用于：系統(tǒng)啟動，相應鉤子程序在操作系統(tǒng)啟動后，進入調(diào)度程序之前執(zhí)行;系統(tǒng)關(guān)閉，相應鉤子程序在應用或操作系統(tǒng)(此時發(fā)生嚴重錯誤)請求系統(tǒng)停止運行時執(zhí)行;跟蹤、調(diào)試應用以及現(xiàn)場切換時調(diào)用用戶定義的擴展程序;錯誤處理。

　　基于μC/OS-Ⅱ的OSEKOS設計

　　OSEKOS設計理念

　　根據(jù)OSEK規(guī)范和μC/OS-Ⅱ的內(nèi)核要求，CC1和ECC1這2個符合級別都只允許一個優(yōu)先級有一個進程，因此可以將優(yōu)先級從0到N-1分配給N個進程，使每個進程分配到的優(yōu)先級不同，N是系統(tǒng)中的進程數(shù)量，這樣可以使修改后的μC/OS-Ⅱ內(nèi)核滿足ECC1類模式。由于BCC2和ECC2這2個符合級別可以允許每個優(yōu)先級有多個進程，因此要使用復雜的調(diào)度策略來追蹤各個進程。

　　設計的OSEKOS可以采用μC/OS-Ⅱ的調(diào)度結(jié)構(gòu)——就緒表，使用簡單的占先式的調(diào)度策略，將每個進程的就緒態(tài)標志都放入就緒表中，然后從其中找到優(yōu)先級最高的就緒態(tài)進程執(zhí)行，實現(xiàn)一個基于優(yōu)先級的可剝奪型的實時內(nèi)核。這樣不僅可以提高系統(tǒng)的實時性，而且可以降低操作系統(tǒng)的CPU負荷。對于BCC2和 ECC2這2個符合級別而言，可以在基于優(yōu)先級的占先式調(diào)度策略基礎上添加時間片輪換調(diào)度算法來處理優(yōu)先級相同的2個任務之間的調(diào)度;也可以為每個優(yōu)先級增加一個FIFO隊列，先以任務優(yōu)先級為檢索，然后選擇該進程隊列中位于對首的進程運行。但是這樣會犧牲一定的實時性，并且加大CPU的負荷，占用更多的 RAM。

　　為了提高OSEKOS的可移植性和利于OSEKOS的配置，按照μC/OS-Ⅱ的內(nèi)核結(jié)構(gòu)將其分為3部分：硬件無關(guān)部分、硬件相關(guān)部分和應用相關(guān)部分。這樣可以使其在不同的硬件之間移植時更加的方便，將與應用相關(guān)部分放入配置文件內(nèi)，便于用戶使用。

　　μC/OS-Ⅱ在處理多個進程對共享資源的互斥訪問時，主要是采用開關(guān)中斷與信號量來對臨界區(qū)數(shù)據(jù)或資源加鎖，使用互斥型信號量管理來避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，通過允許用戶在申請信號量時定義等待超時化解死鎖問題。OSEKOS是通過采用優(yōu)先級最高限度協(xié)議(PCP)來避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)和死鎖問題?？梢酝ㄟ^在系統(tǒng)生成期間，靜態(tài)分配每一資源的最高限度優(yōu)先級，使設計的OS2EKOS執(zhí)行PCP協(xié)議，達到兼容OSEK規(guī)范的目的。

　　根據(jù)OSEK規(guī)定的2類中斷，針對具體的處理器平臺，實現(xiàn)中斷管理的標準API，并且根據(jù)μC/OS-Ⅱ提供非OSEK標準的API：開/關(guān)中斷。由于是基于ECC1類模式來實現(xiàn)OSEKOS，所以支持OSEK規(guī)范定義的事件機制，可用于實現(xiàn)任務之間的同步協(xié)調(diào)。根據(jù)μC/OS-Ⅱ，可以支持的事件種類有信號量、互斥型信號量、郵箱和消息隊列。由μC/OS-Ⅱ提供的時間管理和定時中斷功能，實現(xiàn)OSEKOS中要求的警報器管理，以進一步提高操作系統(tǒng)的實時性和安全性。在μC/OS-Ⅱ中，定義了一系列與OSEKOS規(guī)范要求類似的鉤子程序，用于實現(xiàn)用戶自己定義的函數(shù)。

　　OSEKOS基本結(jié)構(gòu)的組成

　　由于OSEKOS中的標準應用程序接口(API)定義在操作系統(tǒng)的核心空間，根據(jù)以上設計理念可以將操作系統(tǒng)按功能分為進程管理和調(diào)度、資源管理、警報與計數(shù)器管理、事件管理和中斷管理，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中進程管理與調(diào)度是整個操作系統(tǒng)的核心，其他的管理機制為它提供不同的服務支持。

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　　圖1　OSEKOS結(jié)構(gòu)組成圖

　　每個進程都通過一個進程控制塊(TCB)來管理，在進程管理模塊中，實現(xiàn)OSEK標準API：激活進程、終止進程、連接進程、調(diào)度、捕獲當前運行進程ID 和獲得進程狀態(tài)。資源管理模塊實現(xiàn)OSEK標準API：獲得資源、釋放資源。計數(shù)器管理沒有標準API，警報管理結(jié)構(gòu)由警報和警報行為組成。其標準 API：獲得警報信息、獲得警報到期所需時間、設置相對警報、設置絕對警報和消除警報。事件管理模塊實現(xiàn)的OSEK標準API：等待事件、設置事件、消除事件和獲得進程的時間狀態(tài)。實現(xiàn)中斷管理的標準API：開/關(guān)所有中斷和開/關(guān)第二類中斷。

　　結(jié)束語

　　根據(jù)OSEKOS規(guī)范和μC/OS-Ⅱ內(nèi)核實現(xiàn)的不同技術(shù)特點，提出OSEKOS的一些設計思想，并且設計出OSEKOS的基本結(jié)構(gòu)組成。 OSEK/VDX體系的建立給國際汽車工業(yè)帶來深遠的影響，采用基于OSEK/VDX規(guī)范的RTOS進行開發(fā)能節(jié)省開發(fā)時間，降低成本，提高軟件質(zhì)量和模塊的可移植性，而且需要的資源少。因此，研究基于OSEK/VDX規(guī)范的操作系統(tǒng)具有重要的意義。