符合AUTOSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的SmartSAR COM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文刪減版符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的SmartSAR COM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(刪減版浙江大學(xué)ESE工程中心周麗 support密級(jí): 碩士學(xué)位論文 論文題目符合AUTOSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的SmartSAR COM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作者姓名周麗指導(dǎo)教師李瑩副教授學(xué)科(專業(yè) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)所在學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院A Dissertation Submitted to ZhejiangUniversity for the Degree ofMaster of Engineering TITLE: Design and Implementation of AUTOSAR-Compliant Co

2、mmunication SystemSmartSAR COMAuthor: Zhou LiSupervisor: Prof. Ying LiSubject: Computer Application TechnologyCollege: College of Computer Science浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要摘要為了改善汽車電子軟件復(fù)雜龐大,難維護(hù),難更新,難集成的現(xiàn)狀,汽車工業(yè)領(lǐng)域逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)化組織,致力于汽車電子軟件的標(biāo)準(zhǔn)化。AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前汽車電子領(lǐng)域主流的軟件系統(tǒng)開放體系架構(gòu),該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)汽車電子軟件的發(fā)展,提出了標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)方法,降低了開發(fā)成本,提高了軟件安全性、穩(wěn)定性以及

3、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性。論文基于對(duì)汽車電子通信網(wǎng)絡(luò)的研究,實(shí)現(xiàn)了符合AUTOSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的基于CAN總線的分層通信系統(tǒng):SmartSAR COM系統(tǒng)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)使得車控組件間基于復(fù)雜布線結(jié)構(gòu)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)線束通信,變成基于簡(jiǎn)單易控的總線結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)交換共享通信。SmartSAR COM系統(tǒng)可以分為五個(gè)層次結(jié)構(gòu),分層的通信系統(tǒng)可以提供面向用戶的接口抽象層,面向硬件的配置驅(qū)動(dòng)層:COM層將待發(fā)送信號(hào)封裝成I-PDU,從接收的I-PDU中解析信號(hào),為基礎(chǔ)軟件通信提供統(tǒng)一接口;PDU層為I-PDU的收發(fā)提供基于硬件抽象的路由功能;TransPort層提供具有流量控制的大數(shù)據(jù)包收發(fā)、數(shù)據(jù)拆分重組等功能

4、; Interface層作為與硬件無關(guān)的抽象層,一方面提供執(zhí)行數(shù)據(jù)收發(fā)以及數(shù)據(jù)取消等功能,另一方便提供上層訪問、控制硬件單元的統(tǒng)一接口;Driver層提供了所有硬件單元屬性配置,實(shí)現(xiàn)了上層訪問、控制硬件單元的接口。本論文的主要工作總結(jié)為以下幾方面:1設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了符合AUTOSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的SmartSAR COM系統(tǒng):目前實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的所有層次接口。2引進(jìn)了Sporadic Server算法:通過提高實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中非周期任務(wù)的可調(diào)度性,使得基于非周期性任務(wù)的通信任務(wù)的效率得到提高。3設(shè)計(jì)了尾燈控制系統(tǒng)以及氧傳感器診斷檢測(cè)系統(tǒng),分析了SmartSAR COM 系統(tǒng)在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

5、關(guān)鍵詞:AUTOSAR,汽車電子,SmartSAR COM,通信網(wǎng)絡(luò),CAN總線i浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractAbstractAutomotive electronic software is becoming increasingly complicated nowadays, as a result, its maintenance,updation,and integration turn out to be big issues. In order to solve these problems, automobile manufacturers, suppliers and

6、tool developers gradually form organizations aimed to the standardization of automotive software development.This paper mainly focuses on automotive communication network and achieves a hierarchical communication system- SmartSAR COM according to AUTOSAR COM Standard which is an open and standardize

7、d automotive software architecture. SmartSAR COM is a layered communication system that consists of five layers, COM Layer, PDU Router Layer, TransPort Layer, Interface Layer, and Driver Layer. It can provide user-oriented abstraction layers and hardware-oriented driver layers.The main works of this

8、 thesis are summarized as follows.1 Design and implement a communications system SmartSAR COM which is compatible with AUTOSAR COM specification. Currently, we have accomplished all layers based on CAN bus.2 Introduce Sporadic Server algorithm into SmartSAR OS which is compatible with AUTOSAR OS. As

9、 long as the schedulability of aperiodic tasks is improved, the efficiency of communication tasks is guaranteed.3 Design application cases and analysis the funtions of SmartSAR COM. Based on applications of automotive communication network, we haved design a taillights control module and oxygen sens

10、or diagnostic test system.Keywords:AUTOSAR, Automotive Electronics, SmartSAR COM, Communication Network, CAN Busii浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄目錄摘要 (iAbstract (ii第1章緒論 (11.1 課題背景 (11.1.1 汽車電子的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展 (11.1.2 通信系統(tǒng)的總線應(yīng)用 (41.1.3 通信領(lǐng)域的性能需求 (61.2 主要內(nèi)容和貢獻(xiàn) (61.3 論文結(jié)構(gòu) (71.4 本章小結(jié) (8第2章技術(shù)基礎(chǔ) (92.1 汽車電子的通信協(xié)議 (92.1.1 通信協(xié)議的應(yīng)用 (92.1

11、.2 AUTOSAR通信標(biāo)準(zhǔn) (102.2 非周期任務(wù)的調(diào)度優(yōu)化 (112.2.1 AUTOSAR OS的可調(diào)度性分析 (122.2.2 非周期性任務(wù)的調(diào)度分析 (132.3 本章小結(jié) (15第3章SmartSAR COM系統(tǒng)概述 (163.1 基于分層思想的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) (163.1.1 COM層功能設(shè)計(jì) (183.1.2 PDU Router 層功能設(shè)計(jì) (193.1.3 TransPort層功能設(shè)計(jì) (203.1.4 Interface層功能設(shè)計(jì) (21I浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄3.1.5 Driver層功能設(shè)計(jì) (223.2 采用Sporadic Server的通信系統(tǒng)優(yōu)化 (233.

12、3 本章小結(jié) (25第4章分層通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) (264.1 系統(tǒng)定義與配置 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.1 重要標(biāo)識(shí)與數(shù)據(jù)幀定義 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.2 全局變量與服務(wù)配置 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.3 通信棧層次間的映射配置 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2 功能實(shí)現(xiàn) . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.1 發(fā)送機(jī)制 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.2 網(wǎng)關(guān)機(jī)制 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.3 自定義通知機(jī)制 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.4 狀態(tài)管理 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.5 硬件抽象管理機(jī)制 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.6 保護(hù)與錯(cuò)誤處理 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.

13、3 通訊功能設(shè)計(jì)優(yōu)化 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.4 本章小結(jié) . 錯(cuò)誤!未定義書簽。第5章通信任務(wù)的可調(diào)度性優(yōu)化. (275.1 Sporadic Server的算法設(shè)計(jì). 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2 案例分析 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.3 數(shù)據(jù)分析 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.4 本章小結(jié) . 錯(cuò)誤!未定義書簽。第6章通信系統(tǒng)的應(yīng)用 (286.1 通信應(yīng)用環(huán)境 (286.2 車身控制與診斷系統(tǒng)的應(yīng)用 (296.2.1 SmartSAR COM在車身控制領(lǐng)域的應(yīng)用 (296.2.2 SmartSAR COM在氧傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用 (31II浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄6.3 本章小結(jié) (34第7章

14、工作總結(jié)與展望 (357.1 工作總結(jié) (357.2 工作展望 (36參考文獻(xiàn) (37攻讀碩士學(xué)位期間主要的研究成果 (40致謝 (41III浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文圖目錄圖目錄圖1-1 現(xiàn)有主流汽車總線標(biāo)準(zhǔn)、用途和速率的簡(jiǎn)要說明10 (5圖2-1 AUTOSAR體系架構(gòu) (11圖3-1 SmartSAR通信系統(tǒng)層次圖 (16圖3-2 SmartSAR軟件平臺(tái)架構(gòu)21 (24圖4-1 AUTOSAR COM層次間依賴關(guān)系14. 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-2 SmartSAR通信系統(tǒng)層次間映射示例. 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-3 SmartSAR COM的NON-TP數(shù)據(jù)發(fā)送序列圖. 錯(cuò)誤!未定義書簽。

15、圖4-4 SmartSAR COM的TP數(shù)據(jù)發(fā)送序列圖. 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-5 TP層數(shù)據(jù)發(fā)送處理流程 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-6 Interface層數(shù)據(jù)發(fā)送處理流程. 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-7 基于硬件支持的數(shù)據(jù)取消序列圖. 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-8 基于N-PDU的GateWay功能執(zhí)行序列圖. 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-9 基于Signal的COM層GateWay處理流程. 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-10 基于輪詢模式的Confirmation序列圖 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-11 基于中斷模式的Confirmation序列圖 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-12 TP層的In

16、dication處理流程 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-13 基于中斷模式的TP數(shù)據(jù)接收序列圖 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-14 基于輪詢模式的NON-TP數(shù)據(jù)接收序列圖 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-15 AUTOSAR TP Channel的狀態(tài)機(jī)13 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-16 SmartSAR COM的CAN Controller狀態(tài)機(jī). 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-17 SmartSAR COM的硬件抽象示例圖 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-18 TP層數(shù)據(jù)幀的時(shí)間監(jiān)控示例圖 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖4-19 雙CAN冗余通信的總線結(jié)構(gòu)圖 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖5-1 Sporadic

17、 Server執(zhí)行流程21. 錯(cuò)誤!未定義書簽。IV浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文圖目錄圖5-2 原始SmartSAR OS的案例運(yùn)行序列21. 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖5-3 現(xiàn)有SmartSAR OS的案例運(yùn)行序列21. 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖5-4 不同負(fù)載下的平均響應(yīng)時(shí)間21 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖5-5 不同負(fù)載下的任務(wù)失敗率21 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。圖6-1 SmartSAR COM的應(yīng)用框架圖 (28圖6-2 尾燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 (29圖6-3 模擬信號(hào)的硬件在環(huán)平臺(tái) (30圖6-4 診斷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) (32V浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文表目錄表目錄表2-1 總線分類 (9表2-2 非周期性任務(wù)的

18、調(diào)度算法性能比較 (14表4-1 SmartSAR COM常見名詞前綴 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。表4-2 SmartSAR COM常見名詞解釋 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。表4-3 TP數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) . 錯(cuò)誤!未定義書簽。表4-4 通信系統(tǒng)啟動(dòng)、關(guān)閉API簡(jiǎn)介表 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。表4-5 I-PDU的Transmission Mode說明 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。表4-6 TP層Channel狀態(tài)定義. 錯(cuò)誤!未定義書簽。表4-7 Tp層Channel狀態(tài)管理 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。表4-8 Interface層PDU mode管理. 錯(cuò)誤!未定義書簽。表5-1 案例任務(wù)的屬性描述21 . 錯(cuò)誤!未

19、定義書簽。表6-1 CEM主要通信參數(shù)配置 (30表6-2 REM主要通信參數(shù)配置 (31表6-3 氧傳感器診斷系統(tǒng)通信數(shù)據(jù) (33VI浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論第1章緒論1.1課題背景縱觀汽車工業(yè)的發(fā)展路程,國(guó)外的汽車機(jī)械設(shè)計(jì)和制造已接近完美,汽車?yán)^續(xù)改進(jìn)的空間將集中在汽車技術(shù)和電子技術(shù)的結(jié)合上,汽車電子決定著汽車工業(yè)的未來。在2010中國(guó)汽車電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展高層論壇上的報(bào)告中指出,汽車電子產(chǎn)品占整車總價(jià)值的比例逐年上升,平均比例已經(jīng)從上世紀(jì)80年代末期的5%上升到25%,其中在中高檔轎車中已經(jīng)超過30%,某些高檔汽車中電子產(chǎn)品的價(jià)值含量甚至超過了50%。汽車電子被看作是汽車工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的

20、一次技術(shù)革命,汽車電子化的程度成為衡量現(xiàn)代汽車工業(yè)水平的重要指標(biāo),是用來開發(fā)新車型,改進(jìn)汽車性能最重要的技術(shù)措施。汽車電子技術(shù)促使汽車工業(yè)向電子化和電動(dòng)化發(fā)展,帶領(lǐng)汽車工業(yè)進(jìn)入電子控制的時(shí)代,使得原本單純的機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品逐漸升級(jí)為高級(jí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品,使得汽車的舒適性、安全性、娛樂性有了很大提高。汽車電子根據(jù)性能作用可以分為兩大方向:一個(gè)方面是由電子技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和汽車技術(shù)融為一體的機(jī)電一體化技術(shù)為特征的車控汽車電子,如發(fā)動(dòng)機(jī)控制、車身控制、防抱死系統(tǒng)管理等;另一個(gè)方面是以人車環(huán)境交互為特征的車載汽車電子技術(shù),如音響、導(dǎo)航、娛樂,以及最近新興的基于無線通信技術(shù)的車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的汽車遠(yuǎn)程

21、信息服務(wù)系統(tǒng)等。本文主要集中討論車控汽車電子的應(yīng)用發(fā)展。1.1.1汽車電子的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展汽車電子的發(fā)展逐漸趨向功能多樣化、技術(shù)一體化、系統(tǒng)集成化、通信網(wǎng)絡(luò)化,使得汽車電子逐漸變得龐大而且復(fù)雜。數(shù)量不斷增長(zhǎng)的ECU(電子控制單元, electronic control unit的彼此相互聯(lián)系,并由微控制器控制著ECU的運(yùn)行,因此微控制器上運(yùn)行著的軟件決定著ECU的性能發(fā)揮。汽車電子領(lǐng)域中,軟件基于1浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論硬件產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,起著關(guān)鍵性作用。但是汽車電子面臨著電子化帶來的挑戰(zhàn),即使汽車電子軟件開發(fā)的投入逐年提升,軟件產(chǎn)品的兼容性、可靠性以及安全性隱患仍在增大,導(dǎo)致汽車因?yàn)榘踩[

22、患被召回的現(xiàn)象頻繁發(fā)生,對(duì)此一些國(guó)際汽車制造巨頭已經(jīng)倍感痛苦。為降低汽車電子軟件產(chǎn)品的安全性隱患,提高軟件產(chǎn)品的開發(fā)效率以及軟件兼容性,世界上汽車制造商、汽車電子產(chǎn)品供應(yīng)商、汽車零部件制造商逐漸形成共同意識(shí),開始成立統(tǒng)一的組織,致力于汽車電子的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。這些組織成員共同制定汽車控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的軟件和模塊接口,推進(jìn)汽車電子標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展,創(chuàng)建統(tǒng)一開放的汽車電子開發(fā)平臺(tái)。與汽車工業(yè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相對(duì)應(yīng),汽車電子軟件標(biāo)準(zhǔn)可以分為美日歐三大派系。美系標(biāo)準(zhǔn)20世紀(jì)初,汽車整車廠大都從供應(yīng)商購(gòu)買零部件,然后組裝成整車。當(dāng)車輛需要維修時(shí),合適的配件成為難題,只有返回汽車或零部件的原制造廠,這樣導(dǎo)致車輛故障修理很難

23、,嚴(yán)重制約了汽車工業(yè)的發(fā)展。當(dāng)美國(guó)汽車工業(yè)界意識(shí)到這個(gè)問題后,在1905年成立了美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)(Society of Automotive Engineers,簡(jiǎn)稱SAE1,該協(xié)會(huì)后來成為國(guó)際上最大的汽車工程學(xué)術(shù)組織,為汽車制造工業(yè)以及故障診斷系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn),是美系汽車標(biāo)準(zhǔn)的典型代表。SAE委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋汽車制造和維修的每一個(gè)領(lǐng)域,諸如SAE診斷標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)等。發(fā)展至今,針對(duì)不同方向,SAE產(chǎn)生了上千個(gè)完整標(biāo)準(zhǔn),而且每年都會(huì)新增或修訂600余個(gè)汽車方面及航天航空工程方面的標(biāo)準(zhǔn)類文件。日系標(biāo)準(zhǔn)2004年9月,由豐田汽車、日產(chǎn)汽車及豐田通商等日本本土公司宣告成立了

24、JasPar(Japan Automotive Software Platform Architecture,日本汽車軟件平臺(tái)架構(gòu)2。該組織由日本汽車廠商、電裝品廠商、半導(dǎo)體廠商、線材廠商及開發(fā)工具廠商等參加,在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織中代表著日本企業(yè),在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定過程中根據(jù)本國(guó)的需求提出建議。2浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論JasPar組織致力于推進(jìn)汽車軟件技術(shù),實(shí)現(xiàn)車載電子軟件標(biāo)準(zhǔn)化,降低軟件開發(fā)的成本。該組織主要方向是制定兼顧軟硬件的通信標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)軟件的通用標(biāo)準(zhǔn)以及制定專用組件的可插拔的自主標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)軟件的復(fù)用。歐系標(biāo)準(zhǔn)1993年,德國(guó)汽車工業(yè)界的先行者以及各大研究機(jī)構(gòu),包括寶馬、博世、戴姆勒-

25、奔馳、西門子、大眾以及卡爾斯魯厄大學(xué)等,提出了開放式分布控制體系的設(shè)想,隨后就產(chǎn)生了OSEK(Open Systems and Corresponding Interfaces for Automotive Electronics標(biāo)準(zhǔn)。在1994年,該標(biāo)準(zhǔn)合并了法國(guó)汽車工業(yè)體系VDX (Vehicle Distributed eXecutive標(biāo)準(zhǔn),后稱之為OSEK/VDX。該標(biāo)準(zhǔn)的定位是制定面向汽車電子的開放式系統(tǒng)架構(gòu)和接口,從1993年開始推出的OSEK標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展至現(xiàn)在,主要包含四大模塊:OSEK操作系統(tǒng)(OSEK Operating System、OSEK 網(wǎng)絡(luò)管理(OSEK Networ

26、k Manager、OSEK通信協(xié)議(OSEK Communication、OSEK實(shí)現(xiàn)語言(OSEK Implementation Language3。2003 年9月,德國(guó)的汽車制造商和汽車電子產(chǎn)品供應(yīng)商基于OSEK組織又成立了汽車開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)組織AUTOSAR(AUTomotive Open System ARchitecture,宗旨是規(guī)范汽車電子產(chǎn)品、軟件和元器件的互通性,包括車身電子、動(dòng)力總成、安全系統(tǒng)、多媒體、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)等等,推動(dòng)建立汽車基礎(chǔ)軟件架構(gòu)的開放式標(biāo)準(zhǔn)。AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)是基于OSEK標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來,涵蓋了OSEK的所有標(biāo)準(zhǔn),并在OSEK標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行修正擴(kuò)展,形成覆蓋

27、范圍更廣、要求更加嚴(yán)格的AUTOSAR 汽車電子體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)自從推出后就廣受青睞,各大汽車電子巨頭都轉(zhuǎn)向研究AUTOSAR企業(yè)解決方案,逐漸采用AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn),定義軟件和MCU硬件之間的統(tǒng)一接口,制造符合該標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件產(chǎn)品4。汽車電子軟件的標(biāo)準(zhǔn)化需要尋求全球各個(gè)組織的共同合作,SAE、JasPar、AUTOSAR等組織已經(jīng)開始與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO尋求合作,旨在制定全球化標(biāo)準(zhǔn)。汽車電子標(biāo)準(zhǔn)化是汽車工業(yè)發(fā)展強(qiáng)有力的推進(jìn)器,可以使得眾多廠家生產(chǎn)的汽車電子產(chǎn)品兼容復(fù)用,可維護(hù)性可擴(kuò)展性提高,隨著汽車電子市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)壓力的增3浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論大,汽車電子產(chǎn)品的價(jià)格也會(huì)

28、隨之降低。1.1.2通信系統(tǒng)的總線應(yīng)用由于汽車電子技術(shù)的功能日益集成化和系統(tǒng)日益復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì),汽車電子設(shè)備逐漸使用大量微處理器來改善汽車性能。電控單元的廣泛應(yīng)用,使得車載線纜的數(shù)量越來越多,車身的重量以及成本越來越大,電子設(shè)備間的通訊越來越復(fù)雜,故障修復(fù)也越來越困難。隨著大量數(shù)據(jù)通信的安全穩(wěn)定性的隱患增加,使得傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線束通信已經(jīng)不能夠滿足汽車網(wǎng)絡(luò)通信的要求。汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在汽車電子領(lǐng)域的研究越來越多,通信系統(tǒng)的創(chuàng)新已經(jīng)迫在眉睫。汽車電子的通信技術(shù)從使用場(chǎng)景來講可以分為兩個(gè)方面,一個(gè)是車內(nèi)通信,也是當(dāng)前本課題的研究方向,主要是研究車載網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn);車外通信主要是車路通信,車和道路之間

29、的通信用的是短程通信,主要是在802.11標(biāo)準(zhǔn)上發(fā)展起來的移動(dòng)通信,用于高速移動(dòng)情況下的通信。汽車電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在尋求高性能、廉價(jià)的通訊方法中,總線技術(shù)在此期間有了很大的發(fā)展?？偩€技術(shù)是汽車電子通信技術(shù)發(fā)展路程的重大里程碑,基于總線布局的網(wǎng)絡(luò)控制減少了線束占用空間,可以更加有效的進(jìn)行信息共享、系統(tǒng)維護(hù)、故障修復(fù)、軟件升級(jí)。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上,國(guó)際汽車巨頭和頂級(jí)汽車半導(dǎo)體制造商提出了一系列的對(duì)應(yīng)OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的協(xié)議。總線協(xié)議主要包括用于診斷系統(tǒng)的OBD、SAE J1850、SAE J1587以及KWP2000等協(xié)議;用于控制系統(tǒng)的LIN5、CAN6、GMLA

30、N SWC、FlexRay7等協(xié)議;用于多媒體娛樂系統(tǒng)的IDB-1394、USB、MOST等協(xié)議8。圖1-1所示為現(xiàn)有主流汽車總線標(biāo)準(zhǔn)、用途和速率的簡(jiǎn)要說明。由圖1-1可知,目前汽車動(dòng)力系統(tǒng)、車身系統(tǒng)里的常用總線是CAN和LIN。電子控制裝置將通過CAN總線提供穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接,電機(jī)、開關(guān)、傳感器和車燈等車身控制則通過LIN進(jìn)行低成本網(wǎng)絡(luò)連接。LIN總線控制方式的成本較低做為CAN的輔助總線存在?；贑AN總線協(xié)議,汽車工業(yè)領(lǐng)域又提出汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的協(xié)議9,如CANopen、SAE J1939協(xié)議等。根據(jù)車控系統(tǒng)中多種傳4浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論輸速率的需求不同,汽車制造商往往采用不

31、同總線執(zhí)行通信任務(wù),車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中可能同時(shí)使用LIN總線、CAN總線、FlexRay總線。隨之而來也就需要解決多種總線之間的交互問題。 圖1-1 現(xiàn)有主流汽車總線標(biāo)準(zhǔn)、用途和速率的簡(jiǎn)要說明10 AUTOSAR組織應(yīng)對(duì)當(dāng)前車控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展,設(shè)計(jì)了層次化、模塊化的通信系統(tǒng)架構(gòu)AUTOSAR COM。AUTOSAR COM定義了五層次模塊,分別是COM 層11、PDU Router層12、TransPort層13、Interface層14以及底層的驅(qū)動(dòng)Driver 層15(包括控制器、收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)。AUTOSAR定義的通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)著OSI 的七層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)AUTOSAR COM可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整

32、的通信協(xié)議棧,包括面向用戶的應(yīng)用層以及非面向用戶的物理層、數(shù)據(jù)鏈層等。AUTOSAR COM還具有很好的擴(kuò)展性,支持多種總線網(wǎng)絡(luò),可以在不同的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)之間進(jìn)行無縫的數(shù)據(jù)傳輸。目前AUTOSAR COM支持LIN、CAN、FlexRay三種總線,但是AUTOSAR COM的擴(kuò)展性非常好,很容易就可以支持其他總線協(xié)議。因此,本文主要實(shí)現(xiàn)了符合AUTOSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的基于CAN總線的汽車電子通信系統(tǒng)。5浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1.3通信領(lǐng)域的性能需求車控領(lǐng)域的安全性要求車控通信效率要高,每個(gè)通信連接必須安全穩(wěn)定,保證汽車在行駛過程中不會(huì)因?yàn)橥ㄐ殴收隙霈F(xiàn)車禍等危害駕駛者的事件

33、。AUTOSAR COM軟件組件之間的通信基本都是基于事件的非周期性通信,通過事件激活非周期任務(wù)執(zhí)行通信。因此,提高非周期任務(wù)的處理效率成為提高通信穩(wěn)定性的重要研究方向。AUTOSAR OS16是汽車電子領(lǐng)域的AUTOSAR開放標(biāo)準(zhǔn)中基礎(chǔ)軟件層的OS 標(biāo)準(zhǔn),用做車控系統(tǒng)中的多任務(wù)單處理器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS標(biāo)準(zhǔn)。AUTOSAR可以在OS中配置發(fā)送、接收消息的任務(wù),來完成軟件組件之間的通信交互。本文在研究提高通信效率的目的下,進(jìn)行了操作系統(tǒng)的可調(diào)度性分析。在RTOS中,非周期任務(wù)和周期任務(wù)是共存的。一般而言周期任務(wù)是時(shí)間驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行關(guān)鍵操作的硬實(shí)時(shí)任務(wù),非周期任務(wù)是事件驅(qū)動(dòng)的非實(shí)時(shí)任務(wù),但是非

34、周期任務(wù)也具有Soft Deadline或者Hard Deadline。評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的主要標(biāo)準(zhǔn)就是在保證所有硬實(shí)時(shí)任務(wù)的同時(shí)要盡量降低軟實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中,一個(gè)處理器經(jīng)常要處理多個(gè)任務(wù),如果多個(gè)任務(wù)同時(shí)向處理器申請(qǐng)較大的利用率,則會(huì)引起處理器資源不夠用的情況,即通常所說的過載。這時(shí),一些任務(wù)就不能在其截止期限前完成,也就不滿足實(shí)時(shí)控制的要求。解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于如何協(xié)調(diào)這些控制任務(wù)所占用的處理器資源、調(diào)度順序,也就是調(diào)度問題。造成周期性任務(wù)錯(cuò)過Deadline的原因除了周期性任務(wù)自身的錯(cuò)誤外,就是高優(yōu)先級(jí)的非周期性任務(wù)的突然到來,搶占了周期任務(wù)執(zhí)行。確保AUTO

35、SAR OS 的時(shí)間性能,關(guān)鍵是引進(jìn)合適的調(diào)度算法調(diào)度非周期任務(wù)、周期任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間與執(zhí)行順序。1.2主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)汽車電子技術(shù)逐漸成為汽車工業(yè)的核心技術(shù),主導(dǎo)著汽車工業(yè)的未來。本課題組在調(diào)研分析當(dāng)前主流的汽車電子軟件標(biāo)準(zhǔn)后,選擇研究AUTOSAR體系架構(gòu),6浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論實(shí)現(xiàn)針對(duì)AUTOSAR體系架構(gòu)的解決方案。本文參照AUTOSAR通信標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的SmartSAR COM系統(tǒng),并引入了Sporadic Server 17算法來優(yōu)化通信非周期性任務(wù)的可調(diào)度性。論文在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有車控網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上18, 19,基于SmartSAR軟件平臺(tái)20,研究分析AUT

36、OSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的定義,作出了以下貢獻(xiàn):設(shè)計(jì)了一個(gè)符合AUTOSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線通信系統(tǒng)SmartSAR COM,包括五層次協(xié)議棧,COM層、PDU Router層、TransPort層,Interface層以及Driver層。分析了影響AUTOSAR軟件組件之間通信效率的因素,針對(duì)通信任務(wù)通常是非周期性任務(wù)的情況,本文引入了Sporadic Server算法來改進(jìn)通信任務(wù)的調(diào)度性,提高通信效率21。1.3論文結(jié)構(gòu)第一章緒論說明了論文的課題背景以及相關(guān)的研究基礎(chǔ),明確了論文目標(biāo)。第二章簡(jiǎn)要介紹了SmartSAR COM系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ),包括汽車電子領(lǐng)域的通信技術(shù),非周期性任務(wù)可調(diào)

37、度性優(yōu)化算法。第三章扼要介紹了SmartSAR COM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu),包括通信系統(tǒng)的層次架構(gòu),Sporadic Server算法。第四章詳細(xì)介紹了符合AUTOSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的SmartSAR COM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),該章節(jié)主要從功能性角度描述了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化的過程。第五章詳細(xì)介紹了如何引進(jìn)Sporadic Server算法來提高通信效率,并通過實(shí)驗(yàn)分析了Sporadic Server的優(yōu)勢(shì)。第六章介紹了通信系統(tǒng)的應(yīng)用,基于本課題組設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的AUTOSAR整體架構(gòu)的基礎(chǔ)上,本章演示了SmartSAR COM系統(tǒng)的應(yīng)用。第七章為總結(jié)與展望,總結(jié)了本論文的工作,并對(duì)未來工作、汽車電子在國(guó)內(nèi)

38、的發(fā)展進(jìn)行了展望。7浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.4本章小結(jié)本章主要介紹了該課題的研究背景、本文的研究?jī)?nèi)容,并在最后介紹了本文的論文結(jié)構(gòu)。汽車電子標(biāo)準(zhǔn)化是汽車電子發(fā)展的方向,通信系統(tǒng)在汽車電子中術(shù)語關(guān)鍵模塊,本文致力于汽車電子通信系統(tǒng)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的SmartSAR COM通信系統(tǒng)。8浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章技術(shù)基礎(chǔ)第2章技術(shù)基礎(chǔ)本章扼要介紹了參照AUTOSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的SmartSAR通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中涉及到各種技術(shù)。首先,介紹了汽車電子領(lǐng)域的主要通信協(xié)議,主要闡述了AUTOSAR COM通信標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)。最后結(jié)合通信效率,介紹了非周期性任務(wù)的調(diào)度,主要闡述了

39、Sporadic Server的應(yīng)用。2.1汽車電子的通信協(xié)議本文所實(shí)現(xiàn)的通信系統(tǒng)是基于AUTOSAR COM標(biāo)準(zhǔn)的,該標(biāo)準(zhǔn)是AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)中的通信標(biāo)準(zhǔn),在AUTOSAR的體系架構(gòu)中處于微控制器抽象層之上,RTE 之下。該標(biāo)準(zhǔn)提供了ECU內(nèi)部通信或者ECU間通訊的方法,支持LIN、CAN、FlexRay等多種總線,支持不同總線的之間交互,支持?jǐn)?shù)據(jù)包的網(wǎng)關(guān)等功能。本節(jié)在介紹了當(dāng)前汽車電子流行的總線后,主要介紹了AUTOSAR的通信標(biāo)準(zhǔn)。2.1.1通信協(xié)議的應(yīng)用SAE(美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)1按照總線速率等協(xié)議特性將目前流行的絕大多數(shù)車用總線分為A、B、C、D四類,如下表2-1 總線分類表2-1

40、所示。表2-1 總線分類 隨著總線技術(shù)的發(fā)展,汽車電子領(lǐng)域逐漸形成了不同領(lǐng)域的專用總線,可以9浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章技術(shù)基礎(chǔ)分為三大類:主要用在診斷系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),如OBD、SAE J1850、SAE-J1587、KWP2000等標(biāo)準(zhǔn);主要用于多媒體系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),如MOST、IDB-C、IDN-M等標(biāo)準(zhǔn);主要用于控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),如LIN、CAN、TTCAN、FlexRay等標(biāo)準(zhǔn)。但是上述大部分的汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議大都只是定義了開放系統(tǒng)互聯(lián)模型(OSI, open systems interconnection model的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,對(duì)于應(yīng)用層則沒有詳細(xì)定義,很多情況下需要用戶根據(jù)不同的應(yīng)

41、用對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。在汽車電子標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的進(jìn)程中,逐漸出現(xiàn)定義了類似OSI七層協(xié)議的汽車電子通信標(biāo)準(zhǔn),如DeviceNet、SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)、AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)等。由于目前應(yīng)用最為廣泛的就是Bosch公司推出的CAN總線協(xié)議,因而很多完整的通信標(biāo)準(zhǔn)都是基于CAN的,像DeviceNet、SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)等都是基于CAN 進(jìn)一步定義了上層應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。類似DeviceNet、SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)如果想要同其他總線進(jìn)行交換數(shù)據(jù)需要了解其他總線實(shí)現(xiàn)的協(xié)議,這樣給總線間的交換帶來了麻煩。AUTOSAR COM則提出了不同總線數(shù)據(jù)交換的GateWay機(jī)制,可以為不同總線速率的切換提供了統(tǒng)一接口或者

42、交換機(jī)制。因而,本文主要研究如何實(shí)現(xiàn)符合AUTOSAR COM的基于CAN總線的通信系統(tǒng)SmartSAR COM。2.1.2AUTOSAR通信標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR定義了層次化的電控單元軟件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、提出了支持分布式的汽車電子軟件開發(fā)方法,規(guī)范了電控系統(tǒng)應(yīng)用層的接口標(biāo)準(zhǔn)。AUTOSAR COM是AUTOSAR體系架構(gòu)中的通信模塊,負(fù)責(zé)基礎(chǔ)軟件組件間的通信,處理ECU內(nèi)部以及ECU外部的數(shù)據(jù)通訊。圖2-1描述了AUTOSAR COM在AUTOSAR體系架構(gòu)中與其他模塊之間的作用。通信模塊在AUTOSAR架構(gòu)中為其他基礎(chǔ)軟件模塊提供通信服務(wù),該模塊進(jìn)行底層硬件抽象,使得基礎(chǔ)軟件模塊只需要調(diào)用通信服務(wù)模

43、塊的接口就可以直接獲取通信服務(wù)。10浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2章 技術(shù)基礎(chǔ) 11圖 2-1 AUTOSAR 體系架構(gòu)AUTOSAR 的數(shù)據(jù)通信是基于分層思想的,每個(gè)數(shù)據(jù)包的收發(fā)都會(huì)根據(jù)用戶配置參數(shù)逐層拆包或者組包。雖然層次化的通信協(xié)議在層次切換時(shí)的函數(shù)調(diào)用開銷以及數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證時(shí)間開銷比較大,但是這樣不僅可以保證數(shù)據(jù)包收發(fā)的正確性、穩(wěn)定性,而且可以完全按照用戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)包的收發(fā),而用戶不用關(guān)心底層硬件的配置屬性。AUTOSAR 定義的通信系統(tǒng)總體架構(gòu)可以分為兩個(gè)大方面:面向用戶的調(diào)用接口層,包括COM 層以及PDU Router 層,對(duì)應(yīng)ISO/OSI 模型的應(yīng)用層與會(huì)話層;面向不同總線的

44、通信棧,包括CAN/LIN/FlexRay TransPort 層、CAN/LIN/FlexRay Interface 層以及CAN/LIN/FlexRay Driver 層,分別對(duì)應(yīng)ISO/OSI 模型的網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層。2.2 非周期任務(wù)的調(diào)度優(yōu)化常見的通信都是基于事件進(jìn)行,當(dāng)某個(gè)軟件組件處于異?；蛘攉@取到需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)時(shí),都會(huì)觸發(fā)事件,并調(diào)度非周期性任務(wù)去執(zhí)行消息發(fā)送。因而非周期性任務(wù)的可調(diào)度性以及響應(yīng)執(zhí)行時(shí)間決定著通信的安全可靠性。提高任務(wù)的可調(diào)浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章技術(shù)基礎(chǔ)度性關(guān)鍵在于如何協(xié)調(diào)控制周期性任務(wù)和非周期性任務(wù)的調(diào)度順序以及任務(wù)所占用的處理器資源的時(shí)間。本章主要討論在

45、RTOS中進(jìn)行混合調(diào)度時(shí)(即同時(shí)調(diào)度非周期性任務(wù)和周期性任務(wù),只有采用適應(yīng)的調(diào)度算法才能夠達(dá)到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。2.2.1AUTOSAR OS的可調(diào)度性分析在實(shí)時(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域,達(dá)到任務(wù)的時(shí)間要求是非常嚴(yán)格的,如果錯(cuò)過任務(wù)的Deadline,則會(huì)導(dǎo)致無法恢復(fù)錯(cuò)誤,從而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為達(dá)到時(shí)間要求, AUTOSAR OS提出了時(shí)間保護(hù)機(jī)制:當(dāng)出現(xiàn)時(shí)間錯(cuò)誤時(shí),就會(huì)激活一個(gè)用戶定義的函數(shù)執(zhí)行錯(cuò)誤處理22。AUTOSAR OS處理常見的時(shí)間錯(cuò)誤,比如執(zhí)行時(shí)間超過最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間、任務(wù)占有資源的時(shí)間過長(zhǎng)、任務(wù)執(zhí)行的頻率過高。雖然AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是汽車電子領(lǐng)域的主流標(biāo)準(zhǔn),但是該標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間性能

46、并沒有達(dá)到最優(yōu),還存在一些缺陷23。AUTOSAR OS 提供了時(shí)間保護(hù)措施(Execution Budget、Lock Budget and Time Frame 16以確保每個(gè)任務(wù)/ISR(中斷的時(shí)間要求。但是從本質(zhì)上講,該機(jī)制只是阻止了時(shí)間錯(cuò)誤的繁衍,并沒有預(yù)防時(shí)間錯(cuò)誤、提高任務(wù)集的可調(diào)度性能、減少任務(wù)錯(cuò)過Deadline的概率。AUTOSAR OS沒有意識(shí)到非周期性任務(wù)的調(diào)度干擾,沒有考慮到非周期任務(wù)的突然到來會(huì)影響周期性任務(wù)的執(zhí)行,有可能使得非周期性任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)或者周期性任務(wù)錯(cuò)過Deadline。造成周期性任務(wù)錯(cuò)過Deadline的原因除了周期性任務(wù)自身的錯(cuò)誤外,就是非周期性任

47、務(wù)的突然到來,而且非周期任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不確定。所以很多RTOS提出優(yōu)秀的調(diào)度策略來統(tǒng)一調(diào)度非周期任務(wù)與周期任務(wù)。根據(jù)一般性定義,周期性任務(wù)一般都是實(shí)時(shí)要求比較高的任務(wù),它的Deadline等于該任務(wù)的周期,也就是說周期性任務(wù)必須在下一個(gè)周期開始前完成當(dāng)前周期的任務(wù)執(zhí)行;非周期任務(wù)一般是實(shí)時(shí)要求比較低的任務(wù),但是也存在硬實(shí)時(shí)任務(wù),比如用于診斷數(shù)據(jù)傳送的任務(wù)。如果非周期性任務(wù)占有高優(yōu)先級(jí),則會(huì)增加周期性任務(wù)錯(cuò)過Deadline的危險(xiǎn);如果非周期任務(wù)給予了過低的優(yōu)先級(jí),則必然會(huì)使得非周期任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng),導(dǎo)致非周期性任務(wù)錯(cuò)過Deadline。12浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章技術(shù)基礎(chǔ)因此,需要提出一種混

48、合調(diào)度算法來調(diào)度周期任務(wù)和非周期任務(wù),提高AUTOSAR OS的可調(diào)度性。2.2.2非周期性任務(wù)的調(diào)度分析為改善AUTOSAR OS的時(shí)間性能,關(guān)鍵是引進(jìn)合適的調(diào)度算法調(diào)度非周期任務(wù)、周期任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間與執(zhí)行順序。評(píng)價(jià)調(diào)度算法的主要指標(biāo)如下所示:保證硬實(shí)時(shí)任務(wù)的Deadline,硬實(shí)時(shí)任務(wù)包括非周期任務(wù)和周期任務(wù)提供良好的軟實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間,通常這種軟實(shí)時(shí)任務(wù)都是在不可預(yù)測(cè)時(shí)點(diǎn)間到達(dá)系統(tǒng)的非周期任務(wù)對(duì)于周期性任務(wù)而言,只要在Deadline前結(jié)束任務(wù)就已經(jīng)足夠。所以,周期任務(wù)提前很早在Deadline前結(jié)束對(duì)于任務(wù)本身并沒有明顯好處。于是我們提出在不影響周期性任務(wù)的Deadline前提下,盡

49、量早響應(yīng)非周期性任務(wù)的執(zhí)行。任務(wù)的執(zhí)行順序與執(zhí)行時(shí)間嚴(yán)重影響著任務(wù)集的可調(diào)度性以及響應(yīng)時(shí)間。一個(gè)好的調(diào)度算法應(yīng)該注意這兩方面的調(diào)整:不僅要提高非周期任務(wù)的響應(yīng)度,而且要控制非周期任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間,保證周期性任務(wù)的Deadline24。對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)而言,同時(shí)處理非周期性任務(wù)和周期性任務(wù)比單獨(dú)處理周期性任務(wù)或者單獨(dú)處理非周期性任務(wù)要困難的多,本節(jié)分析了當(dāng)前比較流行的混合調(diào)度算法。最傳統(tǒng)簡(jiǎn)單也是最低效的算法是background算法:即是將軟實(shí)時(shí)任務(wù)作為后臺(tái)任務(wù)運(yùn)行,當(dāng)CPU不在運(yùn)行周期性任務(wù)時(shí),才會(huì)運(yùn)行非周期性任務(wù)。這樣可以保證周期性任務(wù)的Deadline,但是導(dǎo)致非周期性任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)。顯

50、然在AUTOSAR OS中不合適,這樣會(huì)導(dǎo)致通信任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)。為了確保非周期性任務(wù)的響應(yīng)度,一般的做法就是引進(jìn)Server算法。Server 算法基本思想是存在一個(gè)特殊任務(wù),該任務(wù)執(zhí)行調(diào)度非周期性任務(wù)。該任務(wù)的主要屬性是周期和最大Capacity:所謂Server的周期,主要標(biāo)志Server的Capacity 補(bǔ)給的周期,對(duì)于不同的Server算法具體意義有所不同的;所謂Server的Capacity,是用來限制非周期任務(wù)的執(zhí)行最大時(shí)間的變量,而且隨著非周期性任務(wù)的執(zhí)行時(shí)13浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章技術(shù)基礎(chǔ)間而消耗,到達(dá)補(bǔ)給點(diǎn)時(shí)就進(jìn)行Capacity的補(bǔ)給。如果Server的優(yōu)先級(jí)是當(dāng)

51、前系統(tǒng)中最高優(yōu)先級(jí)而且當(dāng)前Capacity不為0,則就緒的非周期性任務(wù)就可以獲得CPU執(zhí)行任務(wù)。通常Server被定義為周期性地為非周期性任務(wù)服務(wù)的服務(wù)器,也可以稱作特殊的周期性任務(wù)。然而,該服務(wù)是在Capacity不為0的前提下,只要Capacity不為0,系統(tǒng)總是盡可能早的讓Server執(zhí)行非周期性任務(wù)?；赟erver的概念提出的很多種Server算法,主要的區(qū)別就是在于Capacity的補(bǔ)給規(guī)則的不同25。在單處理器系統(tǒng)中,逐漸形成了各種有效的Server算法,并得到廣泛研究使用。例如,Polling Server 26,Deferrable Server27,Priority Exc

52、hange 28,Sporadic Server 17,Slack Stealer 24, 29等等。總體上講,Deferrable Server,Priority Exchange, Sporadic Server,Slack Stealer 的性能總是比Background要優(yōu)秀。Sporadic Server 被認(rèn)為是比Deferrable Server更優(yōu)秀的算法,因?yàn)樵撍惴梢栽诘蛯?shí)現(xiàn)復(fù)雜度、低運(yùn)行負(fù)載的情況下,取得堪比Priority Exchange的可調(diào)度性能,達(dá)到更好的處理器利用率17。Slack Stealer算法比其他算法的性能要優(yōu)秀的多,尤其是當(dāng)系統(tǒng)接近最高的系統(tǒng)利用率時(shí);但是,該算法的運(yùn)行時(shí)間的需求也是所有算法中最高的30。各種算法的性能比較如表2-2所示:表2-2 非周期性任務(wù)的調(diào)度算法性能比較 選擇調(diào)度算法需要充分考慮該算法的運(yùn)行環(huán)境,AUTOSAR OS是用于車控領(lǐng)域的。這就要求達(dá)到高實(shí)時(shí)響應(yīng)的同時(shí),空間、時(shí)