【文章內容簡介】 交叉編譯環(huán)境最小運行系統(tǒng)應用程序框架多操作系統(tǒng)支持多硬件平臺支持等功能使研發(fā)人員能快速靈活地開發(fā)各種汽車電子產品3 規(guī)范了LINUX BSP的開發(fā)通過制訂統(tǒng)一的LINUX BSP標準來最大限度的重用代碼減少BSP開發(fā)時間4 操作系統(tǒng)支撐系統(tǒng)提供了對VxworkspSosOSEKWindows及Linux的支持規(guī)范了應用軟件的架構設計使得原有的應用軟件可以無縫從一種RTOS移植到另外一種操作系統(tǒng)5 創(chuàng)新地設計了面向汽車電子的層次化模塊化集成開發(fā)環(huán)境形成大平臺小產品的開發(fā)模式該IDE具有良好的可配置可裁減性和可擴展性有效地提高了產品的市場競爭力6 支持Kernel源代碼級的調試和應用程序源代碼級的調試且通過提供WINDOWS環(huán)境下的集成環(huán)境方便了基于LinuxVxWorks等嵌入式操作系統(tǒng)的應用程序開發(fā)調試項目完成時達到的技術水平項目完成時將開發(fā)出下列產品自主知識產權的軟件產品自主知識產權的嵌入式Linux操作系統(tǒng)自主知識產權的跨操作系統(tǒng)平臺自主知識產權的汽車電子集成開發(fā)環(huán)境汽車電子集成開發(fā)環(huán)境的產品上述產品將達到下列的技術水平支持8位16位和32位的處理器支持內存靜態(tài)配置嚴格的片內存儲器要求滿足高實時性要求支持全搶占非搶占和混合式調度方式支持周期性任務支持多種國際主流處理器包括ARMIntel 196Motorola 68HCS12Philips LPC2119等基于消息機制支持設備內部和設備之間的通訊支持三種消息傳輸模式直接式周期式混合式提供通知機制向任務報告消息收發(fā)情況通過對象字典Object Dictionary對設備功能進行描述通過標準化的事件觸發(fā)的高優(yōu)先級突發(fā)報文用于報告設備故障支持包括CAN等現(xiàn)場總線在內的傳輸方式項目技術方案論述本項目Linux在商業(yè)和技術上的優(yōu)勢非常具有吸引力由于可更好地適應電子市場發(fā)展步伐所需的創(chuàng)新周期和需求所以開放源代碼軟件是汽車制造商自然而然的選擇可升級架構的關鍵特性和快速的技術轉移為廣泛采用Linux作為操作系統(tǒng)平臺創(chuàng)造了機遇Linux能提供構建開放源代碼和可升級汽車計算平臺的必要基礎作為一種操作系統(tǒng)Linux固有的穩(wěn)定性將支持所有開發(fā)向基于過程的開發(fā)方法轉移要求Linux平臺具有更多優(yōu)點它必須能滿足駕駛者所期望的速度快速啟動和復位并對來自CAN或者MOST總線的車內信息進行快速響應由于其獨特的處理模式Linux能處理局部故障而不會導致大規(guī)模的系統(tǒng)崩潰并且能從這些故障中恢復Linux還具有廣泛的可用性因此在開發(fā)來自外部需求的兼容性硬件和軟件時不會有任何障礙這意味著與其它開發(fā)模式相比它的系統(tǒng)集成和成本控制是可預測的按需要加載卸載設備驅動程序是Linux非常適合于遠程信息處理和駕駛者界面應用的另外一個關鍵點這種根據需要裝載設備驅動程序的功能可確保Linux平臺一直具有最佳操作速度對許多產品來說Linux系統(tǒng)已經具備良好的實時響應特性但還可對它進一步優(yōu)化以適應遠程信息處理和駕駛者界面應用隨著半導體生產商越來越多使用Linux進行硅片生產前的評估和性能測試市場推動力不斷加大此外芯片設計工程師正逐漸理解軟件架構對芯片銷售的重要性他們開始采用經過優(yōu)化的Linux芯片和主板支持包來展示器件的關鍵特性并且市場和技術環(huán)境的融合也不斷地引導Linux在這個領域獲得成功由于Linux具有源代碼可自由獲得無單個產品的版權費支持大量的硬件設備Linux 已經是一個全球性的標準以及Linux 是一個成熟高效健壯可靠模塊化非常易于配置的操作系統(tǒng)Linux得到了越來越廣泛的應用而嵌入式Linux 已經不可逆轉地改變了嵌入式實時操作系統(tǒng)的市場前景采用嵌入式Linux制造商對嵌入式操作系統(tǒng)更好的控制權并且大大降低開發(fā)成本而最終用戶則可得到更有價值的且價格較低的產品可視化集成開發(fā)環(huán)境 IDE 針對汽車電子行業(yè)對提高開發(fā)效率縮短產品開發(fā)周期的需求研制一種支持用戶進行可視化系統(tǒng)開發(fā)的系統(tǒng)開發(fā)界面該開發(fā)界面采用所見即所得的設計思想為開發(fā)提供了快速開發(fā)系統(tǒng)的手段本項目建設的重點就是研制開發(fā)面向汽車電子的嵌入式可視化集成開發(fā)環(huán)境IDE該IDE可以運行在包括windows在內的多種操作系統(tǒng)環(huán)境下并提供一致的圖形接口和人機界面所有的開發(fā)工具都適用于開發(fā)不同類型的汽車電子產品本項目在開源代碼的基礎上結合LINUX實時性改造內核的要求基于中興自主研發(fā)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)研制開發(fā)面向汽車電子的基于模型的嵌入式可視化集成開發(fā)環(huán)境ZTES SmartIDE本項目將采用IBM的開放源代碼的 Eclipse為原型進行集成開發(fā)環(huán)境的開發(fā)Eclipse是一個開放的可擴展的集成開發(fā)環(huán)境它主要是一個工具的平臺工具的開發(fā)環(huán)境包括Eclipse平臺本身和一套工具一起構成用于創(chuàng)建基于Eclipse的工具的SDK軟件開發(fā)工具包Eclipse以支持插件的方式來提供對CC的支持用戶開發(fā)的編譯調試等工具可以通過Eclipse的接口來集成進Eclipse平臺從而實現(xiàn)對用戶指定語言的支持IPv4IPv6協(xié)議棧GIS無線多媒體GUIWAP安全等標準構件這些標準構件主要來源于中興通訊高端智能手機和各種通信設備的研發(fā)成果大部分標準構件已經在在相關產品中得到了實際應用具有良好的可靠性和穩(wěn)定性車載信息終端車載信息終端即是直接面對用戶與用戶互動交流的電子產品用戶無需了解產品內復雜的技術與結構只需要對產品進行簡單的操作便可享受先進的電子軟件技術給生活帶來的便捷嵌入式LinuxLinux系統(tǒng)包括Linux內核系統(tǒng)庫引導程序驅動程序幾個部分如圖221所示圖221 嵌入式Linux操作系統(tǒng)主要功能如下進程通訊Linux的進程間通訊機制可分為信號信號量管道共享內存和消息隊列進程間通信機制與硬件平臺無關內存管理Linux 的內存管理采取的是分頁機制它的設計目的是分時多任務Linux可同時處理數(shù)百個任務 可以通過內核代碼修改 它采用了兩級機制來分別處理內核進程與用戶進程的內存管理Linux虛擬內存需要通過地址映射機制內存的分配與回收分頁機制交換機制內存共享等機制來實現(xiàn)進程管理與調度進程是操作系統(tǒng)的重要核心之一因為操作系統(tǒng)的存在歸根結底就是為了提供一個運行程序的空間Linux是一個多處理操作系統(tǒng)可以同時存在多個進程所以當某個進程開始等待時操作系統(tǒng)將把CPU控制權拿過來并交給其它可以運行的進程調度器負責選擇適當?shù)倪M程來運行Linux使用一些調度策略以保證CPU分配的公平性文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是是本項目開發(fā)的重點之一將提供FLASH文件系統(tǒng)塊文件系統(tǒng)設備文件系統(tǒng)以及網絡文件系統(tǒng)支持所支持的設備主要有NOR FLASHDOCMMC網絡串口音頻等Linux內核在各實體文件系統(tǒng)ROMRAMFlashFAT之上采用VFSVirtual File System標準接口統(tǒng)一了異構文件系統(tǒng)的訪問接口通過VFS文件系統(tǒng)的實現(xiàn)分成兩部分上層用于文件系統(tǒng)的邏輯抽象下層用來實現(xiàn)具體的實體文件系統(tǒng)本身的功能對外通過VFS接口統(tǒng)一訪問文件系統(tǒng)主要功能包括管理緩沖區(qū)響應系統(tǒng)調用將管道和文件輸入輸出映射到索引節(jié)點和緩沖區(qū)鎖定解鎖文件和記錄映射名字到索引節(jié)點實現(xiàn)多路復用提供各種信息掛接和卸載文件系統(tǒng)調用可執(zhí)行代碼和轉存核心裝入各種二進制格式程序等設備管理Linux支持字符設備塊設備和網絡設備三種不同的設備類型字符設備是以字節(jié)為單位進行數(shù)據處理一般不使用緩沖技術塊設備是以可尋址的塊為單位進行處理常用緩沖技術嵌入式系統(tǒng)中的塊設備主要是flash設備網絡協(xié)議棧為了支持應用能夠通過無線模塊提供的GPRS或者CSD方式連接網絡需要有網絡協(xié)議棧的支持需要PPP支持同時平臺還支持Bluetooth 藍牙 和紅外Irda的網絡應用因此平臺操作系統(tǒng)網絡協(xié)議棧中必須提供對PPP藍牙紅外的支持Boot模塊Boot用于引導加載程序通過這段程序可以初始化硬件設備建立內存空間的映射圖從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)以便為最終調用Linux操作系統(tǒng)內核準備好正確的環(huán)境Boot還需要為操作系統(tǒng)調試提供方便除了操作系統(tǒng)加載功能外還需操作系統(tǒng)調試的功能Boot的主要功能有支持串口程序下載和調試支持USB模擬網口程序下載支持tftp下載支持flash讀取寫入擦除提供內存察看修改功能支持操作系統(tǒng)內核命令行參數(shù)引導Linux操作系統(tǒng)提供shell系統(tǒng)從sleep模式喚醒等Linux BSP規(guī)范建立Linux BSP規(guī)范Linux支持的所有目標CPU建立在統(tǒng)一的代碼基礎上規(guī)范網絡驅動塊設備驅動字符驅動的開發(fā)目前開放源碼的LINUX BSP較多常用的有UBOOTBLOB等針對中興通訊在LINUX上的已有技術積累本項目計劃以UBOOT為原型規(guī)范LINUX BSP的開發(fā)主要功能如下以開放源碼的UBoot BSP為參考原型重點研究對多種類型CPU的支持達到流程的統(tǒng)一與代碼的最大限度的復用對于BSP沒有支持的CPU類型提供參考設計指南針對目前電信設備應用的CPU類型 需要實現(xiàn)對X86PPCARMMIPS的支持提供業(yè)界主流公司提供的評估板的最小BSP系統(tǒng)最小BSP系統(tǒng)即提供對單板硬件基本初始化包括CPU初始化中斷控制器內存控制器串口網口SDRAMFLASH提供業(yè)界主流芯片的驅動程序庫這些芯片包括FLASH網卡串口RTCwatchdog交換芯片I2CSPI等的支持以給開發(fā)人員提供樣板驅動減少工作量實現(xiàn)Linux BSP和實時Linux內核的有機結合 項目完成時要解決以下的性能瓶頸內核Linux是一種通用操作系統(tǒng)內核運行在內核態(tài)而應用程序運行在用戶態(tài) 程序的執(zhí)行流程需要在內核態(tài)與用戶態(tài)之間不斷切換Linux內核的實現(xiàn)也比嵌入式操作系統(tǒng)復雜得多系統(tǒng)調用嵌入式系統(tǒng)常用的系統(tǒng)調用包括任務管理任務同步與互斥任務間通訊定時器等通過測試Linux提供的系統(tǒng)調用效率遠低于VxWorks這一方面是由于Linux內核本身的復雜性引起的另外系統(tǒng)調用POSIX的實現(xiàn)機制也比較復雜而且對于系統(tǒng)調用的實時效率考慮不多中斷處理中斷延遲與任務延遲是評價一個操作系統(tǒng)實時性的重要指標在中斷頻繁發(fā)生的環(huán)境中中斷延遲的大小對系統(tǒng)的性能影響尤為突出Linux的中斷處理機制開銷較大中斷有可能得不到及時的處理甚至發(fā)生中斷丟失的情況目前Linux的實時性改造業(yè)界比較常用的采用雙內核方案采用雙核結構即在一般Linux內核的底層加上一個硬實時的調度內核實時進程由實時內核調度非實時內核則還是由Linux核調度在用戶態(tài)運行該方案的優(yōu)點是保證了實時進程的性能目前已經有現(xiàn)成的開發(fā)源碼可供選擇缺點是破壞了核的完整性雙內核結構比較復雜同時實時進程的調試也很困難用戶態(tài)與內核態(tài)之間的切換開銷導致實時性還是難以保證針對汽車電子產品中有一定時間性要求的車載終端車載多媒體設備車載網絡設備在本項目中采取了加實時或低延時補丁內核的方式來增強Linux系統(tǒng)的實時性這種方案的核心就是不改變Linux的系統(tǒng)構架通過可配置的方式改變內核的調度算法同時通過打補丁的方式使Linux內核具有重入和搶占能力Montavesta Linux采用了該方案目前該公司推出的Montavesta Linux CEE版本就采用打實時補丁的方式加強普通Linux內核的實時性該版本目前已經在一些公司的智能手機中采用我們可以借鑒網上提供的開源實時Linux補丁及Montavesta的方案基礎上設計符合要求的實時補丁同時針對某些汽車電子產品啟動時間電源管理方面的特殊要求提供這些功能模塊的可選擇組件Linux操作系統(tǒng)以GNU Linux24版本作為開發(fā)基礎操作系統(tǒng)部分的主要工作集中在對硬件平臺的適配特定功能增強性能改進新設備的支持啟動流程的優(yōu)化系統(tǒng)功能的裁減等方面經過這一系列的工作使其能夠適合手持設備的環(huán)境但這些工作的開展與Linux源代碼密不可分除了設備驅動其它工作均需要直接在源代碼之上進行修改無法劃分成清晰的獨立的軟件模塊集成開發(fā)環(huán)境本項目在開源代碼的基礎上結合Linux實時性改造內核的要求基于符合OSEK標準的安全可信的嵌入式操作系統(tǒng)SmartOSEK和中興通訊自主研發(fā)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)研制開發(fā)面向汽車電子的基于模型的嵌入式可視化集成開發(fā)環(huán)境SmartIDE如圖222所示本項目將采用IBM的開放源代碼的 Eclipse為原型進行集成開發(fā)環(huán)境的開發(fā)Eclipse是一個開放的可擴展的集成開發(fā)環(huán)境它主要是一個工具的平臺工具的開發(fā)環(huán)境包括Eclipse平臺本身和一套工具一起構成用于創(chuàng)建基于Eclipse的工具的SDK軟件開發(fā)工具包Eclipse以支持插件的方式來提供對CC的支持用戶開發(fā)的編譯調試等工具可以通過Eclipse的接口來集成進Eclipse平臺從而實現(xiàn)對用戶指定語言的支持圖222 面向的可視化集成開發(fā)環(huán)境SmartIDESmartIDE實現(xiàn)的主要功能包括可視化開發(fā)界面SmartIDE提供一個高度可視化和自動化的開發(fā)界面加快了汽車電子的應用開發(fā)SmartIDE提供的可視的圖形的互動的用戶界面允許用戶借助最為直觀和容易理解的方式進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)了系統(tǒng)設計的自動化過程在這個集成開發(fā)環(huán)境中用戶接觸到的界面元素大多是可以操縱的圖形而不是代碼這種二維的設計環(huán)境和編程方式在給用戶提供方便的同時也帶來時間上的節(jié)省和質量上的提高基于模型的嵌入式系統(tǒng)設計工具針對汽車電子行業(yè)對提高開發(fā)效率縮短產品開發(fā)周期的需求研究開發(fā)一種支持用戶進行圖形化建模的設計工具該工具采用圖形化系統(tǒng)開發(fā)界面為汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)人員提供了快速構建控制系統(tǒng)模型自動生成程序代碼和文檔的手段SmartIDE首先是一個建模環(huán)境它的建模界面與MATLAB等著名的建模工具非常相似在SmartIDE的環(huán)境中建立的模型是系統(tǒng)模型可以描述包括實時操作系統(tǒng)RTOS在內的嵌入式系統(tǒng)的框架結構SmartIDE的建模系統(tǒng)功能豐富可以建立不同種類的模型圖用來反映同