嵌入式系統(tǒng)的創(chuàng)新：RTOS與MCU的協(xié)同運作

本文深入探討Green Hills可靠的RTOS與意法半導(dǎo)體尖端MCU之間運用資源和協(xié)同運作，為何是開發(fā)者的最佳選擇。
Green Hills Software為意法半導(dǎo)體的授權(quán)合作伙伴，開發(fā)出一套整合硬件與軟件的解決方案，為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者提供顯著的優(yōu)勢。此一創(chuàng)新平臺結(jié)合了Green Hills Software μ-velOSity實時操作系統(tǒng)（RTOS）之高效能優(yōu)勢，以及意法半導(dǎo)體Stellar SR6車用微控制器（MCU）的先進(jìn)功能及其微控制器抽象層軟件。
可靠的RTOS與尖端MCU之間的協(xié)同運作對現(xiàn)代嵌入式解決方案至關(guān)重要。本文將深入探討為何這種組合是開發(fā)者的最佳選擇。


RTOS供貨商與SoC制造商合作的價值
為確保無縫整合和優(yōu)化效能，RTOS供貨商與SoC制造商之間的緊密合作非常重要。

系統(tǒng)單芯片（SoC）制造商為汽車和工業(yè)自動化等領(lǐng)域提供客制化的解決方案。他們的微控制器（MCU）往往具有超越許多實時操作系統(tǒng)（RTOS）能力的先進(jìn)功能，但卻可能帶來設(shè)定的挑戰(zhàn)和兼容性的問題。意法半導(dǎo)體與Green Hills自2013年開始在RTOS與多個MCU系列整合上展開合作，兩家公司決定結(jié)合各自技術(shù)的優(yōu)勢，大幅提升平臺的效能。這項合作使μ-velOSity能夠取得Stellar SR6 MCU最新硬件版本和文件的實時更新。

這種合作為客戶創(chuàng)造了附加價值，并加速功能創(chuàng)新和穩(wěn)定性。透過無縫整合意法半導(dǎo)體和Green Hills的資源，確保平臺軟硬件開發(fā)的協(xié)調(diào)一致，進(jìn)而提升客戶滿意度。

開發(fā)者可以利用Stellar架構(gòu)簡化的左移測試，立即取得完全調(diào)校的生產(chǎn)級RTOS。MULTI整合開發(fā)環(huán)境（IDE）與Stellar Studio完全整合的開發(fā)工具，加速應(yīng)用開發(fā)，同時簡化除錯過程。


平臺的基礎(chǔ)：Stellar SR6 MCU
這個整合解決方案的核心是功能強大且安全的Stellar SR6 MCU，專為現(xiàn)代軟件定義汽車的嚴(yán)格要求而設(shè)計。


 
圖一 : Stellar封裝(編注:圖小)

軟件定義汽車的興起，創(chuàng)造了對于更高效能、更高安全性和更嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)的需求。意法半導(dǎo)體為軟件定義汽車設(shè)計了一個MCU系列，Stellar MCU系列的運算能力相較上一代提升10倍。它包含專注于最高等級之安全性和保障功能。
Arm Cortex-R52+核心是可擴充和未來架構(gòu)的基礎(chǔ)，期提升了運算能力。而另有可擴充的內(nèi)存和無線更新（OTA）功能、超實時數(shù)據(jù)路由加速器，以及確保無干擾的內(nèi)建硬件虛擬化。意法半導(dǎo)體對車用微控制器的整合設(shè)計、測試和制造確保了架構(gòu)優(yōu)化，并成就了同類最佳的功耗表現(xiàn)。


完美搭配：μ-velOSity RTOS
到底是什么原因使μ-velOSity成為Stellar SR6 MCU的完美搭配？μ-velOSity實時操作系統(tǒng)具有獨特的架構(gòu)，其應(yīng)用程序、中間件和驅(qū)動程序在核心之外執(zhí)行。透過這種配置，μ-velOSity可以利用意法半導(dǎo)體Stellar SR6 MCU的內(nèi)存保護(hù)單元提供內(nèi)存保護(hù)。透過確保內(nèi)存空間的隔離，為安全可靠的應(yīng)用程序奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過適當(dāng)配置后，每個組件都不會受到其他組件故障的影響（干擾隔離）。
Green Hills和意法半導(dǎo)體透過提供多種不同配置，提供出色的開箱即用體驗：包括速度、尺寸和除錯方面的優(yōu)化，以及使用意法半導(dǎo)體MCAL軟件的預(yù)認(rèn)證樣本BSP（符合ISO 26262 ASIL D標(biāo)準(zhǔn)）。μ-velOSity由大約2000行C程序代碼和100條匯編語言指令所組成。軟件的高可維護(hù)性和穩(wěn)定性幫助客戶充分利用SR6的長期可用性。
μ-velOSity操作系統(tǒng)配備具有優(yōu)先級的搶占式排程器，使客戶能夠更輕松地享有Stellar SR6的效能，同時不減少安全性。例如，排程器可以防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，并確保最關(guān)鍵的任務(wù)能夠被優(yōu)先執(zhí)行。


安全BSP — 連接硬件與軟件的橋梁
μ-velOSity板級支持套件（BSP）作為應(yīng)用軟件和實體硬件之間的橋梁，充當(dāng)抽象化硬件細(xì)節(jié)的階層。對于安全關(guān)鍵系統(tǒng)，此BSP經(jīng)過精心設(shè)計，符合安全法規(guī)（如ISO 26262 ASIL D），包括防止故障的措施，類似于實時操作系統(tǒng)（RTOS）的需求。

BSP通常為特定硬件和特定使用情境而設(shè)計，有別于RTOS，它無法在特定使用情境之外進(jìn)行認(rèn)證。這意味著BSP會隨附特定使用情境的證書和安全手冊。BSP必須解決故障控制問題，其驅(qū)動程序需要采取適當(dāng)行動來緩解系統(tǒng)性和隨機的硬件和軟件錯誤。為了降低風(fēng)險，BSP還應(yīng)充分利用硬件功能，如Stellar SR6提供的功能。

Stellar SR6主要的創(chuàng)新領(lǐng)域圍繞在功能安全，并以四個主要主軸為基礎(chǔ)：
● 首先，MCU的ASIL D架構(gòu)，包括Cortex-R52+ CPU核心、互連和內(nèi)存，經(jīng)過精心設(shè)計以高標(biāo)準(zhǔn)滿足ASIL D嚴(yán)格功能安全要求。
● 第二個安全主軸是硬件虛擬化支持，使虛擬機（VM）可以指派故障反應(yīng)和復(fù)原，以及可根據(jù)故障類型分配的專用安全腳位。
● Stellar SR6 MCU安全創(chuàng)新的第三個主軸是復(fù)制通訊接口設(shè)備，使軟件能夠執(zhí)行ASIL D等級的指令。
● 最后，確保最高等級的時間精確度是系統(tǒng)核心原則。這是透過執(zhí)行ASIL D系統(tǒng)時間基準(zhǔn)來達(dá)成的。這種高度可靠的計時機制能主動偵測并糾正任何計時偏差，以維持安全的規(guī)定。


協(xié)同運作在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)
意法半導(dǎo)體、Green Hills和Cetitec連手展現(xiàn)在實際軟件定義汽車中結(jié)合技術(shù)的能力，包括兩個軟件組件：Cetitec網(wǎng)關(guān)和VConverter。
汽車產(chǎn)業(yè)目前正經(jīng)歷朝向車載軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的典范轉(zhuǎn)移。這一轉(zhuǎn)變旨在建立高速、確定性和穩(wěn)定的通訊骨干。這種骨干對支持日益增加的車輛功能至關(guān)重要，同時維持低延遲、無需大幅改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)。在達(dá)到這一目標(biāo)之前，需要彌合汽車特定協(xié)議（如CAN、LIN、FlexRay和I/O操作）與針對服務(wù)之世界之間的鴻溝，其中大部分通訊都是透過以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行。
Cetitec網(wǎng)關(guān)器具有高度配置性、功能豐富，并支持所有標(biāo)準(zhǔn)汽車的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。經(jīng)過多年的開發(fā)和維護(hù)，Cetitec網(wǎng)關(guān)已在實際應(yīng)用中經(jīng)過測試，可以輕松完成任務(wù)。其支持后期建置配置，能透過執(zhí)行時更改的二進(jìn)制文件修改配置。除了標(biāo)準(zhǔn)汽車協(xié)議外，它還支持所謂的應(yīng)用總線，可輕松兼容于具體應(yīng)用。
在這個案例中，它被調(diào)整為另一個Cetitec組件VConverter。VConverter是一個將汽車特定通訊協(xié)議與Green Hills應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)連接的組件。


 
圖二 : Stellar DME路由軟件堆棧的架構(gòu)圖

在執(zhí)行μ-velOSity的ARM Cortex-R52核心上，系統(tǒng)可以有效管理汽車通訊協(xié)議與Green Hills應(yīng)用之間的連接，決定處理應(yīng)該在內(nèi)部進(jìn)行還是對外公開。

VConverter執(zhí)行的兩個功能，包括：
● 第一個功能將選定的屬性公開，為另一個核心或網(wǎng)絡(luò)上完全不同節(jié)點的客戶端。在這種情況下，協(xié)議獨立于實際傳輸層。
● 第二個功能則透過簡單的配置，使一個核心能夠與另一個核心交換信息。執(zhí)行Cetitec網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)管理引擎（DME）核心將向執(zhí)行Green Hills μ-velOSity的核心提供信息。在這里，VConverter將向外部客戶端公開所需信息。Cetitec網(wǎng)關(guān)將在DME核心（SR6的Cortex-M4）上執(zhí)行，執(zhí)行功能并卸除主核心（Cortex-R52）上執(zhí)行的Green Hills μ-velOSity。

DME核心可用于特定功能或路由應(yīng)用，為應(yīng)用開發(fā)卸除主核心。VConverter可進(jìn)行核心之間的通訊。該組件運作于執(zhí)行μ-velOSity的R52核心和DME核心，使CEITEC網(wǎng)關(guān)能夠與運行在μ-velOSity的應(yīng)用程序進(jìn)行有效通訊。它抽象化了DME的功能，因此在μ-velOSity內(nèi)執(zhí)行的應(yīng)用程序不會察覺它們正在與DME交換信息。
這個解決方案利用Stellar SR6的多核心架構(gòu)和μ-velOSity的效能，以及Cetitec的網(wǎng)絡(luò)解決方案，完成高度可配置和高效網(wǎng)絡(luò)之軟件定義汽車的成功轉(zhuǎn)型。