基于μC／OS-II和Simulink開發環境實現OSEK順應性軟件的設計

引言

現在V型開發模式已成為使用最廣的汽車軟件開發流程標準。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的AutoBox和用于硬件在環測試的模塊，軟件有產品級代碼生成器TargetLink。它們在加快開發周期的同時，也提高了代碼的可靠性。

平臺軟件方面，OSEK OS是廣泛應用于汽車電子領域的嵌入式操作系統（RTOS）規范。它定義了一些基本的系統服務，比如任務處理、中斷服務程序（ISR）處理、資源管理、事件處理以及報警服務等。

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

1 嵌入式軟件開發理念

符合基于模型的開發和OSEK規范的軟件架構如圖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提供的系統服務進行管理，外設部件由相應的驅動程序驅動。

中間層（軟件運行環境）包括兩部分，操作系統和硬件驅動。操作系統采用順應OSEK規范的μC／OS－II（見3．1），硬件外設驅動開發在后面作介紹。

應用程序指的是與硬件無關的軟件，含控制算法和中斷服務程序（ISR）?？刂扑惴ㄍ瓿煽刂迫蝿?，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狀態下完成功能仿真，同時也可以在代碼生成階段與硬件驅動以及操作系統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模型中的觸發子系統。在該子系統中的觸發源是圖1中所示的硬件層外設。

2 MATLAB環境下代碼生成流程

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和各模塊以及它們之間的聯系，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，將模型最終轉化成源代碼。

TLC文件有兩種形式，系統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，而后者僅針對對應的模塊。對每個手動添加的C語言S函數對象，必須有對應的模塊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環境下進行編譯，生成嵌入式可執行文件。下面將 model．mdl看作應用程序來討論。嵌入式應用程序主要完成兩類任務，周期性任務和事件驅動型任務。后者通常以ISR處理。

為了使Simulink模型能在RTOS中執行，必須將其劃分成不同的任務。Targetlink中的任務劃分如圖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劃歸為獨立任務，具有相同觸發源的觸發子系統結合在一起，要么和觸發源一起歸為同一任務，要么獨立成為新的任務。自定義方式下，用戶通過在子系統中添加特殊的“任務模塊”（見圖3中的 “TaskA”、“Task B”、“Task C”）來任意地劃分任務。

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

3 軟件運行環境的開發

3．1 OSEK順應性開發

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

μC／0S-II和OSEK規范有許多共同點，比如都支持基于任務優先級的占先式調度，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規范中的BCC2和ECC2順應等級都支持同一優先級下的多個任務，而μC／OS-II僅支持同一優先級下一個任務；OSEK規范對互斥資源的訪問采用最高優先級限度協議，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順應性移植方面進行了實際的開發。本文采用修改過的μC／OS-II作為OSEK的一個操作系統實例，來討論模型的定時機制。

3．2 定時機制

Matlab／Simulink環境下RTw Embedded Coder默認采用多速率、多任務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rate_monotonic_sehed- uler（）。該函數用于維護調度計數器，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中經常提到的單調執行率調度法（RMS）。

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

函數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合，可進行兩處修改。第一，在μc／OS-II中保留函數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作為模型的時間基準。這樣可以最大限度地減小系統因周期性的時鐘中斷OS—TickISR（）而造成的資源開銷。第二，創建一個新任務HighstPrioTask（）。該任務具有最高的優先級，即任務控制塊TCB中OSTCBPrio=0，這樣在每次產生任務調度時都能確保該任務獲得CPU使用權。該任務可理解為在圖4中的任務子系統和定時模塊之上的高一級的調度任務。其偽代碼見代碼段2（Pseudocode of added task High-

3．3 創建自定義驅動模塊

圖1中軟件運行環境的自定義開發可以分為兩部分，一部分是實時操作系統的API驅動庫的自定義開發，另一部分是XCl64系列單片機的設備驅動模塊開發。兩者都可利用參考文獻［4］中提及的“自定義設備驅動”來描述。在“自定義設備驅動”的開發中，開發者通過Matlab提供的S一函數機制，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mdlRTW為model．rtw傳遞所需的參數。文件block．C中出現的主要函數有：

①mdlInitializeSizes，用于細化SimStruct結構中不同參數的維數（SimStruct是指Simulink數據結構，Sim- Struct及其相關的宏定義參見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；對輸出設備而言，從上流模塊讀取數據，加以處理并寫回硬件。

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

4 應用實例

圖5是一個簡單的應用。其中建立了兩個任務，任務ADC_SUM每0．1 S執行1次，任務ADC_GPIO每0．5 S執行1次。第一個任務包含一個ADC S函數模塊。該S函數屬輸入設備，并被封裝成具有圖5所示的參數輸入界面；第二個任務包含另外一個S函數模塊，GPIO，在這個應用中為輸出模塊。

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TLC文件，并對該文件進行了適當修改）。生成的源代碼（包括*．c源文件和*．h頭文件）可以在Keil C166環境下聯合編譯并進行軟件調試運行，如圖6所示，這樣也便于集成傳統手動開發流程中成熟的算法代碼。最終圖6 Keil C166環境下編譯帶μo／os—ll的生成源代碼代碼可在目標硬件上運行。

5 結論

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

責任編輯：gt