汽車電子OSEK配置器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

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

1 OSEK／VDX規(guī)范簡介
在嵌入式實(shí)時操作系統(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――OS-EK／VDX規(guī)范(以下簡稱“OSFK規(guī)范”)，旨在為汽車上的分布控制單元提供一個開放結(jié)構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。OSEK規(guī)范從實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)、軟件接口、通信和網(wǎng)絡(luò)管理等方面對汽車電子控制軟件開發(fā)平臺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OSEK配置器根據(jù)軟硬件的需求，對操作系統(tǒng)的屬性和所有系統(tǒng)對象進(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)時操作系統(tǒng)初始化時必備的系統(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)核代碼作為一個庫，被鏈接器整合在一起。本文主要研究通過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語言描述包含一組OIL對象描述，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(計數(shù)器)、EVENT(事件)、ALARM(警報)、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對象的容器。OIL為它的對象定義了標(biāo)準(zhǔn)類型，每一個對象都可以用一些屬性和參數(shù)來描述。
對于不同的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對象清單，用戶可以根據(jù)需要添加和刪除DIL對象；
◇一個圖表，用于顯示每個對象的屬性(包括標(biāo)準(zhǔn)屬性和與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的屬性)，用戶可更改對象的屬性并且實(shí)時更新OIL文件；
◇一個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)容的同時能突出對結(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)于一個容器，可用來存儲OSEK規(guī)范中OIL定義的各個對象。對每個OIL對象來說，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XML樹型結(jié)構(gòu)方便地表示出來；而對于同一類對象又包含相同的屬性和子屬性，可用相同的XML模板來表示。
由于XML技術(shù)可以很方便地存儲、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對象或者修改對象的屬性和參數(shù)時，可通過KML解析器實(shí)現(xiàn)用戶配置界面與XML文件的同步。其過程如圖3中虛線部分所示。

例如，用戶在配置一個OIL對象ALARM時，需要指定其3個屬性，分別是警報依附計時器COUNTER、警報動作ACTION以及是否自動啟動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GUI配置一個報警器的屬性如下：警報依附計時器counterA，采用自動啟動方式，且其初次響應(yīng)時間和周期響應(yīng)時間分別為30ms和20 ms。OS-EK配置器通過XML解析器將這些屬性值讀取出來，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文檔本身是一個良掏的XML文檔，它被鏈接到需要轉(zhuǎn)換的XML文檔上，通過XSLT處理器實(shí)現(xiàn)對XML文檔的解析和轉(zhuǎn)換過程。XSLT轉(zhuǎn)換的過程如圖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，對輸入XML文檔每個層次的節(jié)點(diǎn)都設(shè)計一個框架模板tem-plate，即為OIL對象的每個屬性和部分子屬性定義框架模板。這樣，當(dāng)OIL對象增加和刪除時，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(可由用戶手動編寫或其他OSEK實(shí)現(xiàn)生成)，并通過GUI顯示和修改屬性配置的功能。這個過程需要一個OIL語言解析器，通過解析器將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LEX和YACC語言開發(fā)OIL語言解析器。
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語言詞法和語法分析程序，還可以根據(jù)用戶需要產(chǎn)生C++和Java代碼的詞法和語法分析程序。
OIL語言解析器的解析過程包括詞法分析、語法分析、錯誤處理和目標(biāo)代碼的生成。首先根據(jù)OIL文件規(guī)范中的對象和屬性值、語法規(guī)則編寫LEX和YACC源文件，通過ALEX和AYACC自動生成以C++語言為代碼的詞法分析類OilLexer和語法分析類OilParser，并且重載和添加一砦類成員函數(shù)；然后將這兩個類加入到VC工程中，實(shí)現(xiàn)程序的錯誤處理和自動代碼生成部分，從而開發(fā)出OIL語言解析器。整個解析器設(shè)計原理如圖5所示。

3.4.2 詞法分析類和語法分析類的設(shè)計
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，并把識別出來的各個單詞符號收集到記號(token)單元中。若在分析過程中發(fā)現(xiàn)詞法錯誤，則轉(zhuǎn)入錯誤處理程序。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對象的關(guān)鍵字，然后添加對相應(yīng)模式處理的C++語言源代碼，最后將token送給語法分析類OiiParser。例如：

◆程序部分。設(shè)計OIL掃描器時無需其他額外功能，因此為空。
在語法分析階段，語法分析程序從詞法分析類中獲取記號形式的源代碼，并完成定義OIL語言結(jié)構(gòu)的語法分析。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。規(guī)則部分分析OIL文件的語法規(guī)則。OIL文件的語法遵循Backus-Naur范式(BNF)，對于每個OIL對象屬性的定義，其OIL實(shí)現(xiàn)類似于一個C結(jié)構(gòu)定義。一個OIL文件由3個模塊組成：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。因此在語義規(guī)則部分設(shè)置錯誤處理語句，對OIL對象屬性的數(shù)據(jù)類型和取值范圍進(jìn)行檢查。ALEX和AYACC的特性，可使錯誤檢測簡單、直觀地實(shí)現(xiàn)，并且很容易和錯誤處理類集成，這對于從外部讀取OIL文件時進(jìn)行語義判斷，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象以及這些對象屬性的賦值，除了OS、COM和NM對象外，應(yīng)用程序可以定義多個同一類型的對象。根據(jù)應(yīng)用程序定義規(guī)則，完成形式文法規(guī)則以及對每條規(guī)則進(jìn)行語義處理的C++語句。在處理語句中，根據(jù)GUI部分定義的XMI．模板格式(如圖4中的MPC．xml)，將得到的對象及其屬性值一一對應(yīng)到XML的樹型結(jié)構(gòu)中，從而完成OIL文件轉(zhuǎn)換為XML文件的過程。同樣，在處理語句中，根據(jù)操作系統(tǒng)中定義的接口將OIL對象及其屬性值提取出來，生成符合OSEK實(shí)時操作系統(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，從而完成整個代碼生成的過程。

4 結(jié)論
OSEK配置器的開發(fā)是OSEK實(shí)時操作系統(tǒng)中的重要組成部分。在開發(fā)過程中，利用XML技術(shù)方便管理和存儲數(shù)據(jù)的功能，實(shí)現(xiàn)了從可視化的GUI生成OIL文件的過程；利用OIL語言解析器的高教性和強(qiáng)大的出錯處理功能，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)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的OSEK實(shí)時操作系統(tǒng)中具有重要的意義。