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图书名称：《AUTOSAR多核操作系统及其应用》

【作　者】朱元

【页 数】 226

【出版社】 上海：同济大学出版社 , 2021.04

【ISBN号】7-5608-9808-7

【价 格】68.00

【参考文献】 朱元. AUTOSAR多核操作系统及其应用. 上海：同济大学出版社, 2021.04.

《AUTOSAR多核操作系统及其应用》内容提要：

本书共5章，其中： 第1章介绍嵌入式多核微处理器、多核操作系统以及传统汽车电子软件开发方法面临的挑战，进而引出AUTOSAR产生的背景、核心思想及其发展现状。之后，详细分析了AUTOSAR软件架构，并针对不同模块的开发进行详细描述，最后介绍了AUTOSAR方法论、软件接口和Vector针对AUTOSAR软件开发所设计的工具链。 第2章主要介绍AURIXTM2G系列多核处理器架构并详细分析内核的结构与特点，以及AURIXTM2G的几个常用片上外设。 第3章从嵌入式实时操作系统出发介绍OSEKOS的特性，并分析AUTOSAR多核操作系统在OSEKOS基础上的扩展特性及其相互之间的差异性。随后，介绍AUTOSAR架构下的软件开发过程，详细介绍应用层、RTE、OS、微控制器抽象层之间的关系，并以MICROSAROS为例，重点介绍多核操作系统的设计过程、软件集成环境和文件结构。 第4章以车用永磁同步电机控制器为例，介绍其软件架构的开发过程，并在此基础上，阐述AUTOSAR多核操作系统监控的相关概念。随后，重点介绍Gliwa公司T1监控工具的集成和相关的软件功能模块，简单描述并对比分析几种操作系统监控方法。 第5章针对嵌入式系统对于程序执行实时性要求和程序执行时间在AUTOSAR多核操作系统中难以预估的矛盾，借助TA工具套件设计一套针对多核操作系统程序的优化方案，在真实车载域控制器上成功地实现了预期的优化目标，并总结归纳出多核操作系统编程的规律和应用技巧。

《AUTOSAR多核操作系统及其应用》内容试读

第1章

AUTOSAR的

发展和简介

11嵌入式操作系统的发展

1.2 AUTOSAR的发展13 AUTOSAR基础软件层

1.4 AUTOSAR运行时环境层

1.5 AUTOSAR应用层

1.6 AUTOSAR软件接口

1.7 AUTOSAR方法论T

AUTOSAR多核操作系统及其应用

1.1嵌入式操作系统的发展

1.1.1嵌入式操作系统的发展历程

自20世纪80年代起，商业化嵌入式操作系统蓬勃发展，国外嵌入式操作系统已日渐成熟，如Vx Works,QNX,Plam OS,Windows CE等。国内的嵌人式操作系统大体分为两类：一类是基于国外嵌入式操作系统进行二次开发，此类大多以Liux为主，比如中软

Linux、红旗Linux等；另一类嵌人式操作系统则是中国自主研发，比如女娲Hopen、夏桑2000和Delta OS等。由于操作系统开发相对复杂，且自主研发成本较高，因此，就目前而言，大多数厂商在开发其产品时，首先还是考虑选用开源的Linux系统，因为Linux相对成熟、稳定而且节约了自主研发的时间和成本，同时，众多Liux开发者又能给予技术支持。

各厂商对操作系统的修改和定制未能整齐划一，造成市面上嵌入式系统种类繁多，在复用应用代码时，由于接口不统一而给开发者带来难题。美国EEE协会在Ux的基础上，制定了可移植的操作系统接口协议(Portable Operating System Interface of Unix,POSIX),其目的是提高在Uix操作系统环境下应用程序的可移植性。德国汽车工业界于

1993年提出了一个用于汽车控制器的开放式系统及其相应的接口体系OESK。与此同时，

法国汽车工业PSA和Renaul也着手一个类似的汽车分布式运行系统VDX,即Vehicle

Distributede Xecutive。两个社团于1994年合并成OSEK/VDX协会，并于1995年达成共

识，发布其规范OSEK/VDX标准，通过标准化API提高了软件的重用性，同时也规范了汽

车嵌入式操作系统标准，降低了软件开发难度。实时操作系统是嵌入式系统发展的产物，纵观嵌人式系统的发展历程，大致经历了下面四个阶段。

(1)无操作系统阶段。在嵌人式系统早期阶段，通常通过简单微型计算机或单片机实现嵌入式产品设计，其产品具有简单的伺服、监测和控制功能。

(2)简单操作系统阶段。在这一阶段，工程师已经开始基于简单的“操作系统”进行软件开发，虽然此时的操作系统比较简单，但其内核精巧且已具备一定的兼容性和扩展能力。

(3)嵌入式实时操作系统阶段。传统的嵌入式程序设计中，通常根据控制算法流程图设计一个无限循环的控制程序，在系统运行时依次对每种条件进行判断。当发生中断时，则由中断服务程序(Interrupt Service Routine,ISR)负责处理。但随着应用的复杂化，系统可能要同时处理多个响应并管理多个外设。如果采用传统设计方法，就会出现两个比较突出

的问题：一是为了确保任务的实时性，就必须通过ISR保证，这样就在无形中延长了ISR的

执行时间；二是由于应用较多时，多个应用同时访问设备，若资源调度不当，则会造成死锁，降低系统可靠性。实时操作系统根据任务优先级，对任务和资源进行合理调度，保证了系统的可靠性，降低了系统开发的复杂度。

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第1章AUTOSAR的发展和简介

在嵌人式系统得到蓬勃发展后，操作系统已经能够运行在各种不同类型的微处理器上。

操作系统通过向工程师提供大量的API,降低了开发难度，同时提供了图形用户界面

(Graphic User Interface,GUI),使用户体验进一步提升。

(4)面向Internet和可定制阶段。在面向特定应用领域时，可定制嵌入式操作系统(Customized Embedded Operating System,CEOS),不仅能满足基本性能和指标要求，并可通过网络以及云计算等手段使得整个系统达到最优。

1.1.2嵌入式多核处理器及操作系统简介

随着实时应用研究的飞速发展，对操作系统提出了更高的要求，单处理器已经不能很好地满足某些复杂实时应用系统的需要，采用多处理器结构的实时操作系统和分布式实时操作系统势在必行。嵌入式系统经历了由单核向多核的发展历程，目前，处理器的多核架构种类繁多，主要分为同构多核架构、同构锁步多核架构和异构多核架构，如图1.1所示。同构多核架构是多个核上运行同一操作系统的架构；同构锁步多核架构是在同构多核的基础上增加锁步核，锁步核与主核执行相同的指令，二者进行执行结果的比较，对指令执行错误进行有效监控，从而获得较高的安全性能；异构多核架构是运行不同操作系统的多核架构，由系统程序管理器(Hypervisor)协调不同的操作系统在共享物理硬件上的工作。嵌人式多核

处理器已成为车用ECU的主流处理器。

Core0

Core 1

AUTOSAR OS

AUTOSAR OS

同构多核架构

Core 0

Core 1

AUTOSAR OS

AUTOSAR OS

Lockstep

Lockstep

同构锁步多核架构

Core0

Core 1

AUTOSAR OS

LINUX

Hypervisor

异构多核架构

图L,1三种多核架构示意图

在多核嵌入式操作系统领域，国内主机厂和供应商多采用国外发达国家的多核嵌入式操作系统，如uCOS,OSEK OS,AUTOSAR OS等。国外的一些汽车零部件公司如

BOSCH对多核OS的任务调度已经有了非常深入的研究，国内的供应商如联合汽车电子，

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AUTOSAR多核操作系统及其应用

上汽捷能等对多核OS的任务调度研究处于消化吸收再创新阶段。我国对嵌人式软件的发

展非常重视，2017年，成立国家级项目“智能电动汽车电子电气架构研发”，决定对汽车嵌入式的多核架构、信息安全等领域展开研究。

随着互联网、物联网、云计算等热门技术的日益普及，Internet将与嵌入式技术融合，再

一次推动嵌入式技术的快速发展。届时，网络、云计算等将结合嵌入式操作系统，成为汽车电子的新亮点。

1.2AUTOSAR的发展

1.2.1 AUTOSAR的产生背景

1,传统开发方法面临的挑战

随着汽车电子的不断发展，客户对汽车的舒适性、安全性、智能化和个性化的要求越来

越高，ECU执行的功能越来越复杂，软件代码量急速上升，软件复杂度急剧增加，而软件的

更新速度也在不断加快。汽车电子系统设计复杂化造成的可靠性隐患导致汽车因安全隐患被“召回”的现象频繁发生，一些国际顶级汽车制造商已经因此倍感痛苦；同时，处理器的种类也在不断增多，大学和企业很难培养出熟悉各类处理器的工程师。传统的嵌入式开发方式不支持硬件抽象，需要嵌入式工程师根据需求在不同的处理器上编写驱动程序，根据不同

的ECU编写不同的功能函数，用大量的时间对函数进行测试，再按照严格的逻辑集成应用

软件，这一过程将花费大量的时间，而且无法保证嵌人式软件的可靠性和可移植性。德国和法国的整车制造商和零部件生产商曾对嵌入式软件工程师进行调查，发现嵌入式软件工程师将大部分的工作时间耗费在开发和调试底层软件上。

2.解决办法

为了解决行业内嵌人式软件开发所面临的问题，提高软件的开发效率和可重用性，降低软件的开发成本，全球主流的汽车整车厂、零部件供应商以及软件、半导体和电子工亚的企

业于2003年联合成立了汽车开放系统架构AUTOSAR联盟，旨在推动建立汽车电气/电子

(E/E)架构的开放式标准，使其成为汽车嵌入式应用功能管理的基础架构，并规范汽车电子

产品、软件和元器件的互通性，使用户避免因为采用私有的协议和解决方案而导致开发成本

日益增长。目前，该规范已更新到AUTOSAR4.4版本，并且有越来越多的成员加人该联盟

中，开展基于AUTOSAR规范的汽车软件设计和开发。目前，AUTOSAR联盟成员如

图1.2所示。

AUTOSAR定义了一套支持分布式的、功能驱动的汽车电子软件开发方法和电子控制

单元上的软件架构标准化方案。从结构化概念设计阶段设计AUTOSAR软件组件及其在

ECU间的分配，到定义通信和ECU间的配置，通过工具为软件开发流程提供通用的支持，

采用成熟的工具实现需求的结构化并进行相应的管理，同时建立相应的配置。

AUTOSAR的核心思想是“统一标准、分散实现、集中配置”，即提供统一、开放的软件

第1章AUTOSAR的发展和简介

9 Core Partner

BMWdroup BOSCH

6 Development Membe

Ontinental DAIMLER

SGS

⊙

PSA PEUGEOT CITROEN

wNoo/C&S☒

TOYOTA VOLKSWAGEN AG

85 Associate Member

55 Premium Member

g90品

MALPNE

QdSPACE

ARM

HONDA

DELPHI

DENSO HIT四S

N

=●MBec画BETASESTERE

震nAEn

O LEAR盖MAGNA

FEVinfineonFUJITSU

©nazpa

TTTech◆The Mathoris

瑞Valeo

NEC

NP 5

VOLVO

0●●

vector

RENESAS

General

Generic

Standard

Tools and

Semi-

OEM

Tier I

Software

Services

conductors

图1.2 AUTOSAR联盟成员

架构标准和平台，软件构建在不同的汽车平台上复用，应用软件整合到ECU中，建立独立于

硬件的、分层的软件架构；分散实现要求软件系统层次化、模块化，并且降低应用与平台之间的耦合度；将所有模块的配置信息以统一的格式集中管理起来，集中配置生成系统

与传统汽车电子开发方法相比，AUTOSAR通过模块化、标准化，使硬件和软件的相互

独立性大大提高，如图1.3所示。同时，软件代码可以重复使用和移植，缩短了开发周期，也降低了开发成本。

Software

Software

AUTOSAR

Hardware

Hardware

图L.3 AUTOSAR对传统ECU开发方式的改变

基于以上思想，AUTSOAR软件架构分为应用层(Application Layer)、运行时环境层(RTE,Runtime Environment).和基础软件层(BSW,Basic Software Layer),如图1.4所示。应用层侧重于应用软件的开发，由软件组件(SWC,Software Component)组成，各个软件组件内部可以包含一个或多个运行实体(Runnable Entity),软件组件之间通过Port端口形成逻辑连接。运行时环境层为软件组件之间及软件组件与基础软件之间提供虚拟总线功能(VFB,Virtual Function Bus),即软件组件与其他软件组件或基础软件的数据交互需要通过运行环境层提供的标准软件接口实现。运行环境层与微控制器之间为基础软件层。这

种分层架构优势在于：一方面，OEM可以专注于开发特定的、有竞争力的应用层软件（在

运行环境层之上)：另一方面，它使OEM所不关心的基础软件层（在运行环境层之下）得到

标准化。

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AUTOSAR多核操作系统及其应用

应用层(Application Layer）

运行时环境层(Runtime Environment Layer)

服务层(Services Layer)

复杂驱动

ECU抽象层(ECU Abstraction Layer)

(Complex

Drivers)

微控制器抽象层

(Microcontroller Abstraction Layer)

微控制器(Microcontroller)

图1.4 AUTOSAR软件分层架构

1.2.2 AUTOSAR的发展及应用

AUTOSAR自面世以来，从半导体工业、工具和软件厂商、零部件供应商到汽车制造商

本身，整个汽车领域内的价值体系都给予了该规范积极地推动。其发展历程如图1.5所示。

发布AUTOSAR3.0

发布第一版

和3.1，BSW被细化

发布AUTOSAR3.2

AUTOSAR规范，

发布AUTOSAR4.2.

形成了AUTOSAR

3版本与4版本并存

定义了BSW

AUTOSAR走向成熟

方法论

发布

发布

发布AUTOSAR4.1,

AUTOSAR2.1.

AUTOSAR4.0.

AUTOSAR联盟

AUTOSAR

完整定义了

支持多核

成立十周年

联盟成立

BSW和RTE

010

AUTOSAR1.0

AUTOSAR2.1

AUT0SAR3.0,3.1,3.2AUTOSAR4.0,4.1

AUTOSAR4.2.4.3

图1.5 AUTOSAR的发展历程

根据图1.5，可将AUTOSAR的发展分为三个阶段。

第一阶段：AUTOSAR的诞生。成立AUTOSAR联盟，发布第一版AUTOSAR规范，

明确提出了基础软件(BSW,Basic Software)的概念；初步划分并定义了模块化/标准化的基

础软件，对ECU内部软件架构进行了划分，明确了应用程序和基础软件的分工；发布了

AUTOSAR2.l,提出了运行时环境(Runtime Environment,.RTE)的概念。第一阶段的

AUTOSAR规范并未成熟，软件架构比较模糊，因此并没被行业广泛接受，也没有在实际中

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···试读结束···