5章汽车嵌入式系统的软件基础

2022/10/191现代汽车电子技术信号与信息处理研究所丁山第5章汽汽车嵌入入式系统统软件的的基础5.1基本概念念5.1..1嵌入式系系统的软软件软件系统统通常包包括两部部分，其其一是系系统软件件，包括括嵌入式式操作系系统及在在它之下下的各种种应用软软件；其其二是用用户的应应用程序序。嵌入式系系统应具具有很高高的可靠靠性，在在恶劣的的环境中中依然正正常工作作，具有有很高的的实时性性要求质质量和可可靠性更更高。面向嵌入入式系统统的操作作系统有有以下特特点：要要求代码码量少，，可进行行裁剪和和移植；；实时性性强；可可靠性高高。嵌入式系系统的存存储器一一般包括括程序空空间（Rom或Flash）、数据据空间（（Ram）和I/O空间。在嵌入式式系统中中，程序序空间一一般采用用的是非非易失性性存储器器。目前前大多数数嵌入式式系统采采用Flash来存放代代码和一一些常数数。数据空间间用于存存放所有有数据，，系统堆堆栈也处处于此空空间，一一般采用用易失性性存储器器。有片片内数据据空间与与片外数数据空间间。I/O空间；采采用统一一编址的的处理器器。I/O空间与内内存空间间无关。。5.1..2嵌入式系系统的存存储器结结构4.1..3嵌入式系系统软件件的功能能及其特特点（1）系统启启动：一一旦复位位信号有有效，处处理器先先需运行行初始化化程序。。（2）控制硬硬件：设设备可能能是端口口映射的的（I/O与存储器器独立编编址），，也有可可能是内内存映射射的（I/O与存储器器统一编编址）。。（3）按位操操作：需需要操作作硬件寄寄存器内内某个二二进制位位。（4）软件要要求固态态化存储储：嵌入入式软件件一般都都固化在在存储器器芯片或或处理器器中，而而不是在在磁盘中中。（5）软件的的高实时时性（6）代码执执行速度度和代码码效率：：如果ISR或其他例例程有严严格的时时序要求求，应考考虑使用用汇编编编写；通过指针针而不是是变量的的引用执执行操作作，编译译器就能能产生占占用空间间更少并并且运行行速度更更快的代代码。如果某个个函数操操作同样样的变量量好几次次，通过过指针来来进行访访问通常常会产生生更有效效率的代代码。（7）中断与与中断服服务程序序：中断断切换机机制是相相同的，，但不同同的处理理器在实实现细节节上还有有不同。。（8）可嵌套套的中断断与可重重入性：：如果允允许中断断嵌套，，要确认认所有在在中断服服务例程程运行期期间被调调用的函函数不是是可重入入的。。。可重入是是指函数数在不必必关心同同步或相相互访问问的情况况下能被被来自不不同任务务的程序序异步调调用。（9）需要了了解程序序执行时时间80和20原则，80%的速度问问题存在在于20%的代码中中。（10）发布嵌嵌入式系系统程序序的方法法a.编写的代代码作为为硬件的的一部分分b.运行加载载c.IPOEM（OriginalEquipmentManufacture）方式（11）应用中中可编程程（InApplicationProgram,IAP）功能a.引导装载载程序b.Flash编程算法法c.最新软件件映像的的下载程程序5.2传统嵌入入式系统统软件的的开发方方法及其其特点操作系统统及嵌入入式操作作系统的的选择如果系统统复杂，，需要选选用操作作系统。。前后台系系统。能能够处理理关键实实时事件件及中断断服务程程序（ISR）的简单单循环代代码，该该过程简简单，但但相当实实用。无优先级级别的操操作系统统：可以以将后台台工作转转化为可可预先处处理的工工作。有优先级级别的操操作系统统：在外外部事件件（比如如中断等等）发生生时和操操作系统统内部调调用时切切换任务务。MISRAC：1994年英国成成立了一一个汽车车工业软软件可靠靠性联合合会（theMotorIndustrySoftwareReliabilityAssociation,,MISRA）,该组织于于1998年发布了了针对汽汽车软件件安全性性的C语言编程程规范。。基于任务务的设计计方法在系统设设计阶段段，嵌入入式系统统的设计计通常采采用DARTS（DesignApproachforRealtimesystem）设计方方法进行行任务设设计。DARTS给出系统统任务划划分的方方法和定定义任务务间接口口的机制制。对传传统的软软件结构构化设计计方法的的扩展。。除使用程程序结构构图与程程序流程程图外，，采用并并发图与与信息隐隐藏模块块，其主主要功能能是将实实时系统统分解为为并发任任务并定定义并发发接口。。5.3嵌入式操操作系统统5.3..1嵌入式操操作系统统的基本本概念嵌入式操操作系统统的特点点嵌入式系系统引入入操作系系统的原原因5.3..2嵌入式操操作系统统的内核核分类及及基本结结构单一内核核；微微内核层次划分分：硬件件接口层层，核心心层，系系统层和和应用服服务接口口层。应用服务务接口层层：提供供基于系系统功能能的、面面向应用用的系统统功能调调用服务务接口。。系统层：：提供面面向对象象的系统统资源管管理功能能，如内内存管理理、文件件管理、、设备管管理、网网络协议议管理等等。核心层：：包括运运行系统统所需要要的最基基本的功功能模块块，核心心层针对对应用提提供几种种最基本本的服务务，如系系统时钟钟、电源源管理、、程序装装载于运运行、进进程调度度、内存存管理等等。硬件接口口层：提提供与嵌嵌入式硬硬件系统统交互的的接口。。5.3..3嵌入式操操作系统统内核的的基本功功能模块块进程管理理：操作作系统需需要为进进程分配配资源，，实现进进程间共共享和交交换信息息，保护护进程资资源，以以及实现现进程间间同步。。在嵌入式式开发中中，往往往用任务务的概念念表述内内核可以以独立调调度的单单元。任任务状态态一般分分为：运运行状态态、就绪绪状态、、等待状状态等。。三种状状态通过过操作系系统进程程调度程程序来调调度。任务调度度方法大大致分为为三种：：优先级级调度、、轮转调调度和时时间片调调度；内存管理理：一般般通用操操作系统统的存储储管理非非常复杂杂，虚拟拟管理技技术被广广泛地使使用。嵌入式操操作系统统的存储储管理通通常比较较简单，，在具体体的嵌入入式应用用中，进进程的数数量和可可能用到到的内存存容量是是可预测测的，因因此，多多采用静静态内存存管理。。在内存分分配策略略上往往往提供几几种分配配策略。。存储管理理的内存存保护，，在一般般的操作作系统中中，每个个应用程程序都有有自己的的地址空空间，不不能任意意访问其其他应用用程序的的地址空空间。某某些嵌入入式系统统应用对对内存保保护有非非常严格格的要求求。内存被分分成操作作系统的的驻留程程序，另另外给用用户进程程。中断管理理：计算算机系统统处理外外部事件件有两种种方式：：中断和和查询。。在操作作系统中中，中断断与中断断处理程程序联系系在一起起的。多数嵌入入式操作作系统都都是事件件驱动的的。中断断处理函函数引起起任务切切换如下下：执行行到任务务A->响应中断断执行并并执行中中断处理理程序，，切换到到任务B->>任务B运行退出出后，切切换到任任务A->>任务A继续运行行。在中断处处理上，，一般操操作系统统与嵌入入式操作作系统的的不同之之处在于于现场保保护。一一般操作作系统的的现场保保护由操操作系统统来完成成，在嵌嵌入式操操作系统统中，由由中断处处理器程程序来完完成。在中断处处理程序序的入口口要保护护中断处处理程序序中要用用到的寄寄存器，，在中断断处理完完成后恢恢复。这这样，以以损失系系统安全全性为代代价，同同时增加加了调试试难度。。如果系统统面临多多个中断断信号同同时发生生的情况况。则存存在ISR响应先后后的问题题。操作系统统与应用用程序的的接口-API从操作系系统的角角度来看看，提供供用户有有两类接接口：一一是人机机界面。。另一类接接口是操操作系统统提供给给用户的的应用程程序的API函数，也也就是系系统调用用。5.3..5嵌入式操操作系统统环境下下的任务务前/后台系统统中，任任务间的的切换很很简单，，不必为为每个任任务安排排堆栈，，也不必必保存每每个任务务所使用用的cpu寄存器。。5.3..6嵌入式操操作系统统的任务务调度方方式不可抢占占式调度度（如图5-6所示）可抢占式式调度（（如图5-7所示）时间片轮轮转调度度5.3..7嵌入式操操作系统统下任务务间通信信中断与任任务间的的通信即即消息传传递，是是由嵌入入式操作作系统的的内核完完成的，，通信方方式有两两个途径径即全局局变量或或消息。。通过全局局消息进进行通信信控制中断断控制任务务切换采用TAS操作，即即处理允允许标志志控制法法利用信号号量通过消息息邮箱或或消息队队列，消消息邮箱箱的示意意图如图5-8所示，消消息队列列的示意意图如图5-9所示。嵌入式操操作系统统实时性性要求利用操作作系统不不仅可以以极大地地减少系系统开发发的工作作总量，，而且可可以提高高嵌入式式系统软软件的可可移植性性。系统的响响应时间间与信号号的动态态特性有有关。这这些不同同的嵌入入式应用用系统的的不同响响应要求求，体现现了嵌入入式对象象对时间间响应要要求的多多样性。。根据嵌入入式应用用系统的的激励-运行-响应特性性，表现现了嵌入入式实时时能力的的可变更更性。响应时间间的多样样性要求求与响应应时间可可调整性性，是嵌嵌入式实实时性分分析的基基本出发发点。5.4嵌入式实实时操作作系统5.4..1实时系统统在控制系系统中，，为控制制器控制制功能的的执行满满足和被被控对象象基于时时间交互互的要求求，所以以称为实实时系统统。实时性需需求首先，准准确合理理地描述述任务的的时间要要求，必必须给出出以下定定义：任务激活活点或使使能瞬间间点任务截止止期响应时间间是激活活点和任任务执行行结束这这一段时时间最大允许许响应时时间也称称为相对对期限，，任务期期限也称称为绝对对期限，，在时间间线上可可以通过过激活点点和相对对期限来来计算绝绝对期限限；任务周期期：相连连两个激激活点的的时间间间隔称为为激活周周期，两两任务执执行时间间间隔称称为执行行周期；；硬实时需需求和软软实时需需求如果要求求任务必必须在指指定的时时间间隔隔内完成成，该任任务就称称为硬实实时需求求，这种种情况下下获得的的确认信信息既要要准确又又要可靠靠。如果没有有在指定定的时间间间隔内内必须要要完成的的要求，，而仅仅仅是希望望任务尽尽快完成成，将被被认为软软的实时时要求。。嵌入式实实时操作作系统实时多任任务操作作系统（（Real-timemulti--taskoperatingsystem）是嵌入入式应用用软件的的基础和和开发平平台。RTOS是针对不不同的处处理器优优化设计计的高效效率实时时多任务务内核。。RTOS最关键的的部分是是实时多多任务内内核，它它的基本本功能包包括任务务管理、、定时器器管理、、存储器器管理、、资源管管理、事事件管理理、消息息管理、、队列管管理等等等。嵌入式实实时系统统的特点点：实时操作作系统一一般具有有以下特特点：实时操作作系统的的内核必必须非常常小，即即微内核核设计可重入，，因为不不可重入入的内核核比然带带来慢速速的中断断响应和和不可预预测的操操作时间间系统能够够快速进进行任务务切换，，保证任任务抢先先和deadline的完成尽量减少少中断的的时间提供固定定或者可可变的内内存管理理机制提供一个个能够满满足应用用要求的的实时时时钟必须提供供合适的的进程任任务调度度的方法法5.4..2嵌入式实实时操作作系统的的内核（1）任务优优先级如如果应应用程序序在执行行过程中中各个任任务的优优先级是是不变的的，称为为静态优优先级；；如果在在执行过过程中优优先级是是可以改改变的，，称为动动态优先先级。在嵌入式式开发中中存在一一个流行行的任务务优先级级分配算算法-单调执行行频率调调度法（（RateMonotonicScheduling,RMS）--基于任务务执行的的次数（（执行频频率）来来分配的的，执行行频率越越高，任任务的优优先级越越高。CPU利用率：：CPU利用率达达到100%%并不好，，作为系系统设计计的一条条原则：：CPU利用率应应小于60%--70%%。（2）死锁是是指两两个任务务无限期期地相互互等待对对方控制制着的资资源。所所以系统统中应尽尽量避免免发生死死锁现象象。如图5-11所示。一般而言言，可以以先让所所有的任任务得到到全部所所需要的的资源再再做下一一步工作作以避免免死锁：：各任务用用同样的的顺序申申请多个个资源；；释放资源源时使用用相反的的顺序。。死锁一般般发生在在大型多多任务系系统中，，在小型型的嵌入入式系统统中不易易出现。。（3）时钟节节拍操操作系统统跳动的的心脏，，当任务务等待事事件发生生时，它它可以提提供系统统等待超超时的依依据。时时钟节拍拍越快，，系统的的额外开开销越大大。（4）中断是是一种种运行机机制可分为硬硬件中断断和软件件中断。。大多数微微处理器器都提供供关中断断和开中中断的方方法，在在实时内内核中对对中断处处理用以以下三个个时间指指标来评评价：中断延迟迟时间、、中断响响应时间间、中断断恢复时时间中断延迟迟时间：：在实时时内核中中，经常常要遇到到关中断断和开中中断的情情况，关关中断时时间越长长，中断断延迟就就越长。。中断延迟迟时间=关中断的的最长时时间+中断服务务例程开开始执行行时间中断响应应时间从中断发发生到开开始执行行用户的的中断服服务程序序的时间间。中断断响应时时间包括括开始处处理这个个中断前前的全部部开销。。对于可剥剥夺型内内核，则则可剥夺夺型内核核由下面面的表达达式给出出：中断响应应时间=中断延迟迟时间+保存CPU内部寄存存器的时时间+内核的进进入中断断服务函函数的执执行时间间中断响应应时间是是系统在在最坏情情况下的的响应中中断的时时间。中断恢复复时间对于可剥剥夺型内内核，中中断恢复复时间（（InterruptRecoveryTime）定义为为：微处处理器返返回到被被中断了了的程序序代码或或更高优优先级任任务代码码所需要要的时间间。下面是可可剥夺型型内核的的中断恢恢复时间间公式：：中断恢复复时间=判定是否否有优先先级更高高的任务务进入就就绪态的的时间+恢复此优优先级更更高的CPU内部寄存存器的时时间+执行中断断返回指指令的时时间虽然中断断服务的的处理时时间应该该尽量短短，但是是对处理理时间并并没有绝绝对的限限制。另外，要要考虑是是否中断断服务子子程序中中开中断断，以允允许优先先级更高高的中断断进入并并优先得得到服务务。动态实时时调度算算法实时系统统的任务务调度算算法主要要有以下下三种速率单调调算法（（RateMonotonicAlgorithm）该算法法事先为为每个任任务分配配一个与与事件发发生概率率成正比比的优先先级，调调度程序序总是调调度优先先级最高高的就绪绪任务，，必要时时将剥夺夺当前任任务的CPU使用权，，让高优优先级的的任务运运行。最早截止止时间优优先算法法（EarliestDeadlineFirst）当检检测到一一个事件件时，对对应的处处理进程程任务就就加入就就绪进程程表中，，该表以以截止时时间排序序，调度度程序总总是使最最早截止止时间的的那个进进程任务务运行。。5.4..3几种典型型嵌入式式实时操操作系统统(1)VxWorks(2)uc//OS--II(3)uclinux(4)eCOS最小松弛弛时间优优先（LeastLaxity）算法,最小裕度度算法。。操作系系统选择择裕度最最小的任任务，使使其占用用处理器器。5.5汽车电子子的开放放系统及及接口标标准-OSEK在上所述述的背景景下，针针对汽车车控制的的操作系系统标准准也应运运而生，，其中，，OSEK(OpenSystemsandtheCorrespondinginterfacesforAutomotiveElectronics)逐渐在汽汽车行业业中得到到越来越越多的认认可。OSEK的主要内内容之一一是定义义了汽车车领域的的实时操操作系统统标准，，通过建建立OSEK标准，将将软件的的应用层层和系统统层完全全分离开开。OSEK标准包括括以下七七个部分分：1.OSEK/VDX操作系统统规范（（OSEKos）2.OSEK/VDX通信规范范(3)OSEK/VDX实现语言言规范（4）OSEK/ORTI规范（5）OSEK-Time规范(7)OSEKFTCom规范符合OSEK/VDX规范具有有以下优优点：应用程序序与硬件件屏蔽，，软件模模块可并并行开发发；任务扩展展性好，，修改方方便；可以完全全图形化化设计，，直接生生成源代代码；通过OIL文件描述述整个操操作系统统，易于于版本管管理。5.5..1OSEK的任务管管理OSEK中提高两两类任务务：基本本任务(BasicTask)和扩展任任务(ExtendedTask)。基本任任务用来来完成那那些激活活后就必必须完整整执行的的工作。。扩展任任务可以以接受事事件的优优先级，，被赋予予固定优优先级，，运行期期间不允允许改变变。事件（Event）也被称称为资源源（Resource）,可以同步步任务的的执行。。基本任务务具有三三种状态态：运行行状态、、就绪状状态、挂挂起状态态；扩展展任务比比基本任任务增加加一个等等待状态态。基本任务务只有在在开始和和结束时时才有同同步点。。扩展任任务运行行时可能能进入等等待状态态。如图5-13所示，状状态转换换有激活活、启动动、等待待、释放放、抢占占和终止止。激活：任任务由挂挂起状态态变为就就绪状态态。激活活后，任任务就可可以参与与调度，，并获得得执行。。启动：将将任务由由就绪状状态变为为运行状状态，这这个过程程由任务务调度器器进行控控制。等待：任任务由运运行状态态变为等等待状态态。任务务通过进进入等待待事件发发生，实实现与事事件的同同步，系系统函数数WaitEvent(()会使任务务进入等等待状态态。释放：任任务由等等待状态态变为就就绪状态态。当任任务等待待的事件件发生，，任务则则退出等等待状态态，等待待操作系系统的调调度。抢占：任任务由运运行状态态变为就就绪状态态。当有有更高优优先级任任务进入入就绪状状态，任任务就有有可能被被抢占。。任务调调度器负负责各任任务的启启动和抢抢占。终止：任任务由运运行状态态变挂起起状态。。任务终终止后，，任务不不再参与与任务调调度。OSEKOS支持三种种调度方方式：抢抢占调度度、非抢抢占调度度、混合合调度。。非抢占调调度机制制要求只只有在重重调度点点才能从从运行中中的任务务转去执执行其他他任务。。抢占调度度机制要要求在满满足操作作系统预预定的触触发条件件时重新新调度处处于运行行的任务务。混合调度度是指在在同一系系统中即即存在抢抢占调度度任务又又存在非非抢占调调度任务务。5.5..2OSEK的一致性性OSEK中任务由由以下三三个组成成部分组组成：任任务程序序代码、、任务堆堆栈和任任务控制制块。其中，任任务控制制块用来来保存任任务属性性；任务务堆栈用用来保护护任务上上下文；；任务程程序代码码是任务务的执行行部分。。OSEK操作系统统的调度度行为并并非严格格的固定定优先级级。由于于共享资资源以及及混合抢抢占调度度战略的的存在，，操作系系统需要要时刻保保证最高高优先级级的就绪绪任务得得到运行行。一致类的的概念可可以使开开发者根根据应用用灵活地地配置操操作系统统调度程程序。OSEK系统中定定义了4种一致类类：BCC1,BCC2,,ECC1,ECC2。一致类的的划分是是根据每每个优先先级可能能具有的的任务个个数、需需要的是是基本任任务还是是扩展任任务来决决定。BCC1：表示在在应用系系统中，，每个优优先级上上只有一一个任务务，且是是基本任任务。ECC1：表示在在应用系系统中，，每个优优先级上上只有一一个任务务，且是是扩展任任务。BCC2：表示在在应用系系统中，，每个优优先级上上有多个个任务，，且是基基本任务务。ECC2：表示在在应用系系统中，，每个优优先级上上有多个个任务，，且是扩扩展任务务。在实时操操作系统统中，调调度机制制的核心心是调度度器，调调度不仅仅需要保保证正确确性。其其实现也也必须是是高效的的。调度度的主要要工作如如下：根据就绪绪任务的的优先级级，选择择最重要要的任务务优先运运行；如果需要要切换任任务，将将任务上上下文切切换。在OSEK操作系统统中，调调度有其其额外的的、特殊殊的需求求；OSEK操作系统统内核模模块如图5-14所示在BCC2和ECC2一致类中中，能够够正确处处理基本本任务的的多次激激活。如如果一个个任务被被多次激激活，那那么这个个任务需需要多次次执行，，并且任任务执行行的顺序序与任务务激活顺顺序一致致。当有任务务就绪时时，根据据任务原原始优先先级定位位到它所所属的就就绪队列列，根据据先进先先出（FirstinFirstout）原则，，将其插插入队列列尾部。。需要支持持OSEK优先级天天花板协协议，包包括计算算资源优优先级（（在系统统生成时时计算完完成）以以及获得得资源时时任务优优先级的的变化。。5.5..3中断处理理在一些嵌嵌入式系系统，中中断是外外部事件件的关键键接口，，中断源源可能是是实时时时钟、能能发送触触发脉冲冲信号的的传感器器或用户户定义的的中断源源。OSEK的中断服服务程序序分为ISR1和ISR2两种，如如图5-15所示。ISR1：此类中中断服务务程序不不使用操操作系统统的资源源，ISR结束后，，处理程程序将从从产生中中断的地地方继续续执行。。ISR2：这类中中断服务务程序是是系统生生成时，，由操作作系统通通过用户户子程序序配置成成的，它它可以调调用操作作系统的的API函数。5.5..5事件机制制在OSEK中，事件件机制：：是同步的的方法；；仅仅提供供给ExtendedTasks;用于Task的初始化化状态改改变和从从等待到到就绪的的状态改改变；事件是通通过操作作系统管管理的对对象，它它们不是是独立的的对象，，而是分分配给扩扩展任务务（ExtendedTasks）。每个个扩展任任务有一一个固定定的事件件号，一一个独立立的事件件被它的的所有者者和它名名字识别别。总之，事事件机制制保证不不同扩展展任务之之间的同同步并且且使任务务的状态态从等待待状态转转换到就就绪状态态或者从从运行状状态换到到等待状状态。抢占调度度下事件件的同步步机制如如图5-17所示。非抢占调调度下事事件的同同步机制制如图5-18所示。5.5..5资源管理理具有不同同优先级级的任务务访问共共享资源源需要使使用资源源管理机机制进行行协调。。任务通通过采用用最高限限度优先先级(PriorityCeiling)协议可以以避免优优先级倒倒置。最高限度度优先级级如图5-19所示。最高限度度优先级级协议的的就绪队队列如图5-20所示。任务A、B原始优先先级均为为0，从就绪绪队列为为空开始始，按照照A、B、A、B的顺序依依次激活活对应的的任务。。只有当当前运行行的任务务可以获获得资源源。5.5..6警报器管管理OSEK标准中规规定警报报基于系系统时钟钟或者基基于其他他某种计计数器。。OSEK使用硬件件定时器器产生中中断来实实现系统统时钟。。OSEK为每个计计数器维维护一个个警报队队列，每每个计数数器的头头指针指指向警报报队列的的队头。。5.5..7OSEKCOM和OSEKNMOSEKCOM规范为汽汽车ECU应用软件件提供了了统一的的通信环环境。通通过定义义应用软软件通信信接口以以及ECU内部通信信和ECU外部通信信，OSEKCOM规范提高高了应用用程序模模块的可可移植性性。OSEKCOM中通信是是基于消消息的。。消息包包括了特特定应用用的数据据。消息息和消息息属性通通过OSEK实现语言言（OIL）静态配配置。在内部通通信情况况下，交交互层（（InteractionLayerIL）使消息息立即发发送到接接收方。。在外部部通信情情况下，，IL将一个或或多个消消息压缩缩成指定定的交互互层协议议数据单单元（InteractionProtocolDataUnitI-PDU）。并把把它传