嵌入式開發(fā)汽車電子OSEK配置器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車對(duì)控制、通信、網(wǎng)絡(luò)管理等方面的要求越來(lái)越高，基于32位微控制器的硬件平臺(tái)、基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)和基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)逐漸成為當(dāng)今汽車電子業(yè)的主流。

1 OSEK／VDX規(guī)范簡(jiǎn)介

在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)方面，為了滿足日益龐大、復(fù)雜的汽車電子控制軟件的開發(fā)需要，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的可移植性和不同廠商控制模塊間的可兼容性，1993年德國(guó)汽車工業(yè)界聯(lián)合推出了汽車電子的開放式系統(tǒng)及接口——OSEK／VDX規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱“OSEK規(guī)范”)，旨在為汽車上的分布控制單元提供一個(gè)開放結(jié)構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。OSEK規(guī)范從實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)、軟件接口、通信和網(wǎng)絡(luò)管理等方面對(duì)汽車電子控制軟件開發(fā)平臺(tái)作了較為全面的定義與規(guī)定。盡管該規(guī)范還處在不斷完善中，但它所提出的一整套解決方案將是未來(lái)汽車電子軟件開發(fā)的發(fā)展方向。

為了達(dá)到OSEK軟件可移植的目標(biāo)，OSEK規(guī)范中定義了配置使用OSEK應(yīng)用程序的方法——通用實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言O(shè)IL。OSEK配置器就是使用圖形化的用戶接口，根據(jù)用戶需求配置OIL文件，并最終生成OSEK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)初始化代碼的工具。它是開發(fā)符合OSEK規(guī)范的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的重要組成部分。

2 OSEK配置器的主要功能

OSEK應(yīng)用程序的開發(fā)流程如圖1所示。用戶通過(guò)OSEK配置器根據(jù)軟硬件的需求，對(duì)操作系統(tǒng)的屬性和所有系統(tǒng)對(duì)象進(jìn)行靜態(tài)配置。配置完成后，OSEK配置器生成符合OSEK規(guī)范的OIL配置文件，并進(jìn)一步生成與操作系統(tǒng)相關(guān)的C代碼和頭文件，以提供OSEK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)初始化時(shí)必備的系統(tǒng)參數(shù)。為保證軟件的兼容性，OSEK配置器還能夠從外部直接讀取符合OSEK規(guī)范的OIL文件，完成生成OS靜態(tài)系統(tǒng)文件的過(guò)程。

用戶完成應(yīng)用程序代碼編寫和OIL文件配置后，OSEK配置器所產(chǎn)生的代碼、操作系統(tǒng)的部分內(nèi)核和應(yīng)用程序一起交叉編譯，而其他操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼作為一個(gè)庫(kù)，被鏈接器整合在一起。本文主要研究通過(guò)OSEK配置器生成符合OSEK規(guī)范的OIL配置文件及靜態(tài)系統(tǒng)文件的過(guò)程(如圖1中虛線部分所示)。

3 OSEK配置器的實(shí)現(xiàn)

3．1 圖形用戶接口GUI的實(shí)現(xiàn)

OSEK應(yīng)用程序的OIL語(yǔ)言描述包含一組OIL對(duì)象描述，分別是CPU、OS(操作系統(tǒng))、APPMODE(應(yīng)用程序模式)、ISR(中斷服務(wù))、RESOURCE(資源)、TASK(任務(wù))、COUNTER(計(jì)數(shù)器)、EVENT(事件)、ALarm(警報(bào))、COM(通信子系統(tǒng))、MESSAGE(消息)、IPDU(外部通信)和NM(網(wǎng)絡(luò)管理)。其中，CPU是其余OIL對(duì)象的容器。OIL為它的對(duì)象定義了標(biāo)準(zhǔn)類型，每一個(gè)對(duì)象都可以用一些屬性和參數(shù)來(lái)描述。

對(duì)于不同的OSEK實(shí)現(xiàn)，生成OIL配置文件的方法是不同的。由于用戶自己編寫OIL文件具有一定的復(fù)雜性，因此，在集成開發(fā)環(huán)境中帶有一個(gè)上下文相關(guān)幫助的、可視的圖形用戶接口GUI是非常必要的。在集成開發(fā)環(huán)境中，一個(gè)包含GUI的OSEK配置器需要包含以下組件：

◇一張遵循Windows Explorer格式的OSEK對(duì)象清單，用戶可以根據(jù)需要添加和刪除DIL對(duì)象；

◇一個(gè)圖表，用于顯示每個(gè)對(duì)象的屬性(包括標(biāo)準(zhǔn)屬性和與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的屬性)，用戶可更改對(duì)象的屬性并且實(shí)時(shí)更新OIL文件；

◇一個(gè)用于記錄和顯示的窗口。

集成開發(fā)環(huán)境的OSEK配置器工作界面如圖2所示，其數(shù)據(jù)的管理和顯示采用XML技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

XML以一種開放的自我描述方式定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在描述數(shù)據(jù)內(nèi)容的同時(shí)能突出對(duì)結(jié)構(gòu)的描述，從而體現(xiàn)出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。它相當(dāng)于一個(gè)容器，可用來(lái)存儲(chǔ)OSEK規(guī)范中OIL定義的各個(gè)對(duì)象。對(duì)每個(gè)OIL對(duì)象來(lái)說(shuō)，其屬性和子屬性都包含不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)XML樹型結(jié)構(gòu)方便地表示出來(lái)；而對(duì)于同一類對(duì)象又包含相同的屬性和子屬性，可用相同的XML模板來(lái)表示。

由于XML技術(shù)可以很方便地存儲(chǔ)、描述和管理結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，并且有效地將數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的顯示相分離，因此，在OSEK配置器中采用XML技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)OIL文件圖形用戶接口的配置，是非常方便和高效的。

3.2 利用XML技術(shù)配置OIL對(duì)象

基于XML的OSEK配置器，將OIL文件定義的屬性存放在初始化的XML模板文件中，并指定其默認(rèn)值。當(dāng)用戶添加、刪除OIL對(duì)象或者修改對(duì)象的屬性和參數(shù)時(shí)，可通過(guò)KML解析器實(shí)現(xiàn)用戶配置界面與XML文件的同步。其過(guò)程如圖3中虛線部分所示。

例如，用戶在配置一個(gè)OIL對(duì)象ALarm時(shí)，需要指定其3個(gè)屬性，分別是警報(bào)依附計(jì)時(shí)器COUNTER、警報(bào)動(dòng)作ACTION以及是否自動(dòng)啟動(dòng)AU-TOSTART。其中，ACTION和AU-TOSTART又包含各自的子屬性，使用XML技術(shù)可以很方便地管理和修改這些數(shù)據(jù)。

通過(guò)GUI配置一個(gè)報(bào)警器的屬性如下：警報(bào)依附計(jì)時(shí)器counterA，采用自動(dòng)啟動(dòng)方式，且其初次響應(yīng)時(shí)間和周期響應(yīng)時(shí)間分別為30ms和20 ms。OS-EK配置器通過(guò)XML解析器將這些屬性值讀取出來(lái)，并保存在XML源文件alarm．xml中。以下是此XML文件的源代碼；

3.3 利用XSLT技術(shù)生成OIL文件

用戶配置的OIL信息通過(guò)GUI保存為XML文件后，利用XSLT技術(shù)生成符合OSEK規(guī)范的OIL配置文件。XSLT文檔本身是一個(gè)良掏的XML文檔，它被鏈接到需要轉(zhuǎn)換的XML文檔上，通過(guò)XSLT處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)XML文檔的解析和轉(zhuǎn)換過(guò)程。XSLT轉(zhuǎn)換的過(guò)程如圖4中虛線部分所示。

例如3．2節(jié)中保存ALARM配置信息的文件alarm．xml，通過(guò)定義XSL樣式表文件xml20il．xsl將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的OIL文件。為了保證XSL文件的通用性，對(duì)輸入XML文檔每個(gè)層次的節(jié)點(diǎn)都設(shè)計(jì)一個(gè)框架模板tem-plate，即為OIL對(duì)象的每個(gè)屬性和部分子屬性定義框架模板。這樣，當(dāng)OIL對(duì)象增加和刪除時(shí)，XSL文件都可以快速地完成轉(zhuǎn)換而不需要做任何修改。使用Microsoftmsxml 4．o作為：XSLT處理器，xsl：output method=”text”indent=”no”／>定義轉(zhuǎn)換的輸出方式為文本格式。

轉(zhuǎn)換3．2節(jié)中。KML文件的部分關(guān)鍵源代碼如下：

3.4 讀取OIL配置文件和生成代碼

為了實(shí)現(xiàn)OIL文件的可移植性和可重用性，OSEK配置器還需要實(shí)現(xiàn)從外部直接讀取OIL文件(可由用戶手動(dòng)編寫或其他OSEK實(shí)現(xiàn)生成)，并通過(guò)GUI顯示和修改屬性配置的功能。這個(gè)過(guò)程需要一個(gè)OIL語(yǔ)言解析器，通過(guò)解析器將OIL文件轉(zhuǎn)換成XML文件提供給GUI，并且生成與操作系統(tǒng)相關(guān)的C代碼和頭文件。本組件通過(guò)LEX和YACC語(yǔ)言開發(fā)OIL語(yǔ)言解析器。

3.4.1 利用ALEX和AYAGO構(gòu)造解析器

Parser Generator是Windows環(huán)境下使用LEX和YACC語(yǔ)言開發(fā)編譯器的集成開發(fā)工具，包含了編譯程序構(gòu)造工具ALEX和AYACC。ALEX和AYACC不僅可將LEX和YACC源程序轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言詞法和語(yǔ)法分析程序，還可以根據(jù)用戶需要產(chǎn)生C++和Java代碼的詞法和語(yǔ)法分析程序。

OIL語(yǔ)言解析器的解析過(guò)程包括詞法分析、語(yǔ)法分析、錯(cuò)誤處理和目標(biāo)代碼的生成。首先根據(jù)OIL文件規(guī)范中的對(duì)象和屬性值、語(yǔ)法規(guī)則編寫LEX和YACC源文件，通過(guò)ALEX和AYACC自動(dòng)生成以C++語(yǔ)言為代碼的詞法分析類OilLexer和語(yǔ)法分析類OilParser，并且重載和添加一砦類成員函數(shù)；然后將這兩個(gè)類加入到VC工程中，實(shí)現(xiàn)程序的錯(cuò)誤處理和自動(dòng)代碼生成部分，從而開發(fā)出OIL語(yǔ)言解析器。整個(gè)解析器設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

3.4.2 詞法分析類和語(yǔ)法分析類的設(shè)計(jì)

在詞法分析階段，掃描程序?qū)IL文件中的字符序列分解，去掉空格、換行等自字符，并把識(shí)別出來(lái)的各個(gè)單詞符號(hào)收集到記號(hào)(token)單元中。若在分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)詞法錯(cuò)誤，則轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理程序。ALEX的輸入規(guī)則文檔Lexer.l包括以下3部分：

聲明部分。包含所需的頭文件及詞法分析類的定義。
◆規(guī)則部分。定義正則表達(dá)式和OIL對(duì)象的關(guān)鍵字，然后添加對(duì)相應(yīng)模式處理的C++語(yǔ)言源代碼，最后將token送給語(yǔ)法分析類OiiParser。例如：

◆程序部分。設(shè)計(jì)OIL掃描器時(shí)無(wú)需其他額外功能，因此為空。

在語(yǔ)法分析階段，語(yǔ)法分析程序從詞法分析類中獲取記號(hào)形式的源代碼，并完成定義OIL語(yǔ)言結(jié)構(gòu)的語(yǔ)法分析。AYACC輸入規(guī)格文檔Parser．y也包括3部分：聲明部分、規(guī)則部分和程序部分。在聲明部分，包含OilParser類所需的頭文件以及聲明從詞法分析器返回的token記號(hào)。規(guī)則部分分析OIL文件的語(yǔ)法規(guī)則。OIL文件的語(yǔ)法遵循Backus-Naur范式(BNF)，對(duì)于每個(gè)OIL對(duì)象屬性的定義，其OIL實(shí)現(xiàn)類似于一個(gè)C結(jié)構(gòu)定義。一個(gè)OIL文件由3個(gè)模塊組成：版本、執(zhí)行定義和應(yīng)用程序定義。用BNF范式可表示為：

執(zhí)行定義包含了一個(gè)OSEK實(shí)現(xiàn)的所有屬性，這些屬性的數(shù)據(jù)類型和取值范圍可能是受限制的。因此在語(yǔ)義規(guī)則部分設(shè)置錯(cuò)誤處理語(yǔ)句，對(duì)OIL對(duì)象屬性的數(shù)據(jù)類型和取值范圍進(jìn)行檢查。ALEX和AYACC的特性，可使錯(cuò)誤檢測(cè)簡(jiǎn)單、直觀地實(shí)現(xiàn)，并且很容易和錯(cuò)誤處理類集成，這對(duì)于從外部讀取OIL文件時(shí)進(jìn)行語(yǔ)義判斷，保證OSEK配置器的兼容性有著重要的意義。

應(yīng)用程序定義包含了一系列對(duì)象以及這些對(duì)象屬性的賦值，除了OS、COM和NM對(duì)象外，應(yīng)用程序可以定義多個(gè)同一類型的對(duì)象。根據(jù)應(yīng)用程序定義規(guī)則，完成形式文法規(guī)則以及對(duì)每條規(guī)則進(jìn)行語(yǔ)義處理的C++語(yǔ)句。在處理語(yǔ)句中，根據(jù)GUI部分定義的XMI．模板格式(如圖4中的MPC．xml)，將得到的對(duì)象及其屬性值一一對(duì)應(yīng)到XML的樹型結(jié)構(gòu)中，從而完成OIL文件轉(zhuǎn)換為XML文件的過(guò)程。同樣，在處理語(yǔ)句中，根據(jù)操作系統(tǒng)中定義的接口將OIL對(duì)象及其屬性值提取出來(lái)，生成符合OSEK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的API函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，放在C代碼和頭文件中，從而完成整個(gè)代碼生成的過(guò)程。

4 結(jié)論

OSEK配置器的開發(fā)是OSEK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的重要組成部分。在開發(fā)過(guò)程中，利用XML技術(shù)方便管理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，實(shí)現(xiàn)了從可視化的GUI生成OIL文件的過(guò)程；利用OIL語(yǔ)言解析器的高教性和強(qiáng)大的出錯(cuò)處理功能，實(shí)現(xiàn)了GUI從外部讀取OIL文件及代碼生成的過(guò)程，從而保證了OIL文件的可移植性、可擴(kuò)展性和可重用性。此組件在集成開發(fā)環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定，這在開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的OSEK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中具有重要的意義。