基于AUTOSAR 操作系統(tǒng)的任務(wù)搭建及驗(yàn)證

衛(wèi)軍，吳長(zhǎng)水

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué)）

0 引言

汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)（AUTOSAR）出現(xiàn)的目的是降低汽車(chē)軟件開(kāi)發(fā)成本，如今，此架構(gòu)已運(yùn)行在歐洲大多數(shù)汽車(chē)的軟件上。AUTOSAR 是用于汽車(chē)軟件開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化軟件平臺(tái)。圖1 所示的AUTOSAR 架構(gòu)有4 層基本架構(gòu)，分別為應(yīng)用軟件層、運(yùn)行時(shí)環(huán)境、基礎(chǔ)軟件層和微控制器層，每一層通常都包含數(shù)十個(gè)用于各種功能的模塊。操作系統(tǒng)在這些AUTOSAR 模塊中起著至關(guān)重要的作用。AUTOSAR 操作系統(tǒng)是一種基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），它是其他所有AUTOSAR 軟件模塊和應(yīng)用程序的基石[1]。此外，它還支持內(nèi)存保護(hù)和定時(shí)保護(hù)等功能安全機(jī)制。由于汽車(chē)軟件運(yùn)行需要高度的可靠性和安全性，因此汽車(chē)軟件上運(yùn)行的AUTOSAR OS 的測(cè)試是非常重要的工作。通常情況下，OS 會(huì)在運(yùn)行中不停地進(jìn)行上下文切換和中斷處理，所以針對(duì)RTOS 展開(kāi)的測(cè)試很困難。

圖1 AUTOSAR 架構(gòu)示意圖Fig.1 AUTOSAR architecture schematic

AUTOSAR 操作系統(tǒng)規(guī)范針對(duì)具有硬實(shí)時(shí)性的深度嵌入式系統(tǒng)約束。在此類系統(tǒng)中，任何可能與系統(tǒng)實(shí)時(shí)需求沖突的不確定行為都不允許出現(xiàn)。因此，AUTOSAR 規(guī)范將AUTOSAR OS 定義為靜態(tài)操作系統(tǒng)，這意味著系統(tǒng)對(duì)象不允許動(dòng)態(tài)創(chuàng)建系統(tǒng)布局，也就是說(shuō)包括每個(gè)單獨(dú)的OS 對(duì)象與其運(yùn)行機(jī)制必須在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行之前都確定[2]。

本文的AUTOSAR 架構(gòu)下實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的驗(yàn)證工作是圍繞多核微處理器AURIX TC277 平臺(tái)展開(kāi)的，該微控制器由英飛凌公司開(kāi)發(fā)，主要用于汽車(chē)和工業(yè)控制系統(tǒng)。

1 EB 公司AutoCore 工具簡(jiǎn)介

AutoCore 是EB 公司推出的針對(duì)車(chē)用ECU 的、符合AUTOSAR 架構(gòu)的軟件實(shí)現(xiàn)工具。該軟件提供了用于在多總線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（包括FlexRay，CAN 和LIN）中運(yùn)行復(fù)雜控制策略的基礎(chǔ)架構(gòu)。這些模塊已開(kāi)發(fā)出許多用于汽車(chē)微控制器（通過(guò)與半導(dǎo)體供應(yīng)商合作）的高質(zhì)量車(chē)用軟件代碼，并在多個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)上進(jìn)行了充分地測(cè)試。

EB AutoCore 適合各種汽車(chē)軟件應(yīng)用場(chǎng)合，通常是同時(shí)進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目或高度重視軟件重用的項(xiàng)目，例如車(chē)身、底盤(pán)和動(dòng)力總成領(lǐng)域等，需要CAN，LIN 和網(wǎng)關(guān)功能的ECU 軟件的開(kāi)發(fā)，以及符合AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)的軟件的項(xiàng)目。EB AutoCore提供了高度完整的AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)核心、高質(zhì)量和高成熟度的功能靜態(tài)代碼代碼、操作系統(tǒng)（OS）、錯(cuò)誤處理和模式管理功能，而且具有可靠的AUTOSAR 運(yùn)行時(shí)環(huán)境（RTE），以及符合ASPICE 標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)流程[3]。該工具同時(shí)適用于主流硬件供應(yīng)商的16 位和32 位處理器,例如NXP、英飛凌、瑞薩和意法半導(dǎo)體等。

2 OS 任務(wù)搭建

通常上電后，AURIX TriCore 從0xa0000020地址開(kāi)始執(zhí)行啟動(dòng)代碼。使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的啟動(dòng)代碼會(huì)禁用中斷，并調(diào)用特殊的C 語(yǔ)言循環(huán)OS_InitSp()和OS_InitCsaList()來(lái)初始化堆棧指針，在完成這一步之前芯片無(wú)法調(diào)用普通的C 函數(shù)。最后，代碼跳轉(zhuǎn)至BoardStart()函數(shù)。C 語(yǔ)言函數(shù)BoardStart()負(fù)責(zé)用于設(shè)置CPU 時(shí)鐘頻率和數(shù)個(gè)核心特殊功能寄存器，尤其是ISP（中斷堆棧指針）寄存器必須設(shè)置為正確的工作值。最后，BoardStart()函數(shù)調(diào)用main()函數(shù)。main()函數(shù)必須由用戶自行編寫(xiě)，所有用于特定系統(tǒng)的初始化的過(guò)程在main()中完成，尤其應(yīng)保證所有可產(chǎn)生中斷的外圍模塊必須在main()中將其控制寄存器設(shè)置為工作值，否則 AutoCore OS 無(wú)法初始化中斷服務(wù)而導(dǎo)致OS 對(duì)象后續(xù)工作異常[4]。

在多核系統(tǒng)中，由AutoCore OS 管理的其他核使用StartCore()系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)進(jìn)行核的啟動(dòng)，之后依次開(kāi)始執(zhí)行各自的main()函數(shù)。然后，應(yīng)用程序調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)StartOS()，該服務(wù)將啟動(dòng)AutoCore OS 內(nèi)核，在正常情況下，將進(jìn)入系統(tǒng)工作循環(huán)且不退出。自啟動(dòng)任務(wù)和OS 警報(bào)啟動(dòng)后，硬件計(jì)時(shí)器和中斷服務(wù)請(qǐng)求寄存器被初始化，應(yīng)用程序.data 和.bss 初始化區(qū)域，并用填充值（通常為0xeb）填充所有堆棧。最后，調(diào)用StartupHook 函數(shù)（如果已配置，否則跳過(guò)）。當(dāng)StartOS()完成時(shí)，將運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的活動(dòng)任務(wù)。

至此，AutoCore OS 完成啟動(dòng)（如圖2 所示），配置好的OS 對(duì)象將依次開(kāi)始工作。

圖2 多核操作系統(tǒng)啟動(dòng)流程示意Fig.2 Multi-core operating system startup process diagram

如圖3 所示，本文為驗(yàn)證OS 功能，設(shè)置了以下OS 對(duì)象：

圖3 構(gòu)建的驗(yàn)證OS Task 示意圖Fig.3 Schematic diagram of built verification OS Task

（1）5 個(gè)任務(wù)：初始化任務(wù)、1 個(gè)Loop 循環(huán)、1 個(gè)Cyclic 循環(huán)、Task_St1、Task_St2；

（2）2 個(gè)OS 警報(bào)：AlarmActCyclic 和SysCounterIncrementer；

（3）1 個(gè)軟件計(jì)數(shù)器；

（4）1 個(gè)硬件計(jì)數(shù)器；

（5）1 個(gè)調(diào)度表；

（6）1 個(gè)OS 資源Res_CounterVar；

（7）以上所有對(duì)象都分配到的2 個(gè)應(yīng)用程序APP1 和APP2。

自啟動(dòng)任務(wù)InitTask 激活Cyclic 警報(bào)AlarmActCyclic 并切換到Loop 循環(huán)任務(wù)。此任務(wù)執(zhí)行一個(gè)無(wú)窮循環(huán)，該循環(huán)連續(xù)獲取并釋放資源Res_CounterVar。自啟動(dòng)的OS 警報(bào)SysCounterIncrementer 使軟件計(jì)數(shù)器遞增，該計(jì)數(shù)器與OS 警報(bào)AlarmActCyclic 相連。

在AlarmActCyclic 出現(xiàn)OS 警報(bào)事件時(shí)，將激活Cyclic 任務(wù)，其優(yōu)先級(jí)為高于Loop 循環(huán)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。Cyclic 循環(huán)激活后，Res_CounterVar資源不再被占用時(shí)，Loop 循環(huán)任務(wù)將被中斷，Cyclic 任務(wù)循環(huán)開(kāi)始運(yùn)行。

在Cyclic 循環(huán)任務(wù)中，特定的輸出模塊將輸出累加的一個(gè)變量用于觀測(cè)，且連接配置到評(píng)估板LED 燈用于觀測(cè)驗(yàn)證。計(jì)數(shù)器的時(shí)間單位具有固定大小，以便每秒激活一次Cyclic 循環(huán)任務(wù)。與上述行為并行地，OS 啟動(dòng)調(diào)度表。此任務(wù)表有兩個(gè)溢出點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)任務(wù)Task_St1 和Task_St2。兩項(xiàng)任務(wù)均已配置具有比Loop 任務(wù)更高的優(yōu)先級(jí)，因此，Loop 任務(wù)將一再被中斷。

為方便觀測(cè)OS 實(shí)際運(yùn)行情況，這里設(shè)置了多個(gè)觀測(cè)LED 燈。4 個(gè)LED 指示燈用于在循環(huán)任務(wù)中觀測(cè)遞增的計(jì)數(shù)變量的值。第5 個(gè)LED指示是否已使用資源Res_CounterVar。以上配置的OS 程序如果可以正常運(yùn)行，則計(jì)數(shù)器LED 指示燈按規(guī)律遞增閃爍，而占用資源指示LED 燈也將按一定周期閃爍。

3 集成編譯以及下載觀測(cè)

配置完成OS 模塊的任務(wù)和必要設(shè)置之后，在AutoCore 界面點(diǎn)擊生成按鈕，排除錯(cuò)誤和警告后，再點(diǎn)擊Build，整個(gè)工程將會(huì)生成配置文件[5]，存放于如圖4 所示的指定文件夾內(nèi)。這些配置文件包括了標(biāo)準(zhǔn)的.c 文件和.h 文件，我們?cè)贏utoCore 中完成的各項(xiàng)設(shè)置將以C 代碼的形式蘊(yùn)含在這些配置文件內(nèi)。下一步將進(jìn)行集成編譯工作。

圖4 Build 生成的配置文件Fig.4 Configuration file generated by Build

集成編譯的目的是將應(yīng)用層代碼、配置生成文件以及AutoCore 提供的靜態(tài)代碼（例如OS krenel 以及各模塊的基礎(chǔ)源碼）按照一定的編譯規(guī)則集中編譯，歷經(jīng)預(yù)編譯、編譯、匯編和鏈接等過(guò)程后，生成可執(zhí)行文件。由于AUTOSAR 規(guī)定了3 種不同的配置參數(shù)編譯方式，分為預(yù)編譯配置參數(shù)、鏈接時(shí)配置參數(shù)和編譯后配置參數(shù)，因此編譯規(guī)則的制定應(yīng)當(dāng)提前考量這3 種參數(shù)的存在[6]。AutoCore 已經(jīng)根據(jù)用戶配置，制定好了不同的集中編譯的規(guī)則，完成配置后直接按照EB 推薦的編譯方式，使用命令行調(diào)用編譯器執(zhí)行編譯命令即可。這里使用了HighTec 提供的GCC 編譯器進(jìn)行編譯。

在沒(méi)有配置沖突和用戶代碼不合理的情況下，編譯將順利生成elf 文件。

之后，將elf 文件在Tasking 中構(gòu)建可執(zhí)行文件工程，基于這個(gè)過(guò)程，通過(guò)與TC277 開(kāi)發(fā)板連接進(jìn)行調(diào)試和觀測(cè)工作。圖5 為正在運(yùn)行OS 任務(wù)的開(kāi)發(fā)板。

圖5 開(kāi)發(fā)板連接與LED 燈展示Fig.5 Development board connected with LED light display

點(diǎn)擊燒寫(xiě)按鈕，.elf 文件將燒寫(xiě)進(jìn)入開(kāi)發(fā)板，Tasking 界面進(jìn)入調(diào)試頁(yè)面，點(diǎn)擊開(kāi)始運(yùn)行。此時(shí)可以觀測(cè)LED 燈和環(huán)境變量task_St1_counter、task_St2_counter 的值來(lái)檢測(cè)OS 的任務(wù)是否按照預(yù)期在執(zhí)行。

首先，使用斷點(diǎn)檢查循環(huán)任務(wù)是否運(yùn)行，在loop 內(nèi)打斷點(diǎn)，觀測(cè)得到程序停在斷點(diǎn)處。則證明OS 運(yùn)行正常；再檢查cyclic_counters 計(jì)數(shù)器的值，發(fā)現(xiàn)該變量每秒增加1 次；再觀測(cè)變量task_St1_counter 和task_St2_counter 的 值。由 于二者構(gòu)建在同一調(diào)度表中，且后者周期是前者的兩倍，在觀測(cè)窗口觀測(cè)到二者始終在遞增且前者的值為后者的2 倍，說(shuō)明程序按照期望運(yùn)行；觀察LED 燈的狀態(tài)，前4 個(gè)LED 在按各自設(shè)定的周期翻轉(zhuǎn)閃爍，第5 個(gè)代表資源Res_CounterVar占用的LED 指示燈也按照邏輯關(guān)系周期閃爍。

4 結(jié)論

基于EB 公司提供的AUTOCORE 工具，主要驗(yàn)證其OS 模塊的基本功能，完成了ACG 7 版本的完整配置流程：從可用模塊的導(dǎo)入，到主要模塊的配置和排錯(cuò)，再到應(yīng)用層代碼的適配、配置文件的生成以及調(diào)用目標(biāo)編譯器（使用了GCC和Tasking 兩種編譯器）進(jìn)行集成編譯、生成可執(zhí)行文件并通過(guò)IDE 下載到評(píng)估板。經(jīng)驗(yàn)證，EB 提供的ACG7 OS 模塊完整、可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。