车控操作系统实时性/安全性保障技术

电子控制技术为智能网联汽车的高速发展持续赋能,车控操作系统是保障汽车电子控制软件安全、高效、实时运行的基石。随着智能网联汽车向集中式、端云融合式电子电气架构发展,车载硬件演化为多核异构处理器、弹性计算平台,车控软件向面向服务的软件架构转变,车控操作系统的架构、关键技术等也随之发展。综述了智能网联汽车用车控操作系统的发展历程与现状,对任务调度、实时性/安全性保障、形式化表征与验等基础理论和关键技术进行深入分析,阐述现有车控操作系统的技术挑战与发展趋势,为智能网联汽车的车控操作系统发展提供参考。

面向任务协同的异构多核嵌入式系统实时调度方法

以往的异构多核嵌入式系统实时调度方法由于仅设置了系统实时调度模型的单项参数,导致系统调度时间过长。本文设计了面向任务协同的异构多核嵌入式系统实时调度方法。面向任务协同构建嵌入式系统实时调度模型,计算系统任务节点的传输情况,构建系统实时调度的数学模型,对构建的实时调度模型中的任务数据信息进行汇集,并进行自适应分析处理,以此为基础,设置实时调度模型的时间均衡控制参数和安全性系数,从而实现嵌入式系统的实时调度。通过上述设计,完成对异构多核嵌入式系统实时调度方法的设计。在仿真实验中,与以往的异构多核嵌入式系统实时调度方法相比,本文设计的面向任务协同的异构多核嵌入式系统实时调度方法的调度时间最长仅为5 s,调度时间更短。

实时操作系统事件响应机制剖析

为了能清晰理解事件的工作原理与机制,通过分析事件在实时操作系统中的作用、响应原理及流程,基于KL36微控制器采用类PC机的printf输出法,从调度过程时序、响应时间性能等方面剖析了mbedOS的事件响应机制。实验结果表明,通过printf函数能将事件响应过程的线程地址、队列地址,队列内容、线程进出队列情况以及事件位等信息直观输出,为读者从底层理解mbedOS的事件响应原理和流程提供便利,也为分析mbedOS的其他同步与通信手段的脉络结构提供方法借鉴。

基于互斥量的MbedOS调度机制剖析

为了能清晰理解互斥量对共享资源的独占访问原理与机制,在简要分析实时操作系统的互斥量的含义、应用场合、调度机制以及关键要素作用的基础上,对mbedOS互斥量调度机制进行了理论剖析。以KL36芯片为例对mbedOS的互斥量进行了实践,基于时序图采用printf方法直观地输出了线程响应互斥量的调度过程信息,并对互斥量调度机制的实时性能进行分析。通过对互斥量调度机制的剖析,有助于进一步分析mbedOS的其他同步与通信方式,也可为深入理解其他实时操作系统的同步与通信手段提供参考借鉴。

基于D1-H应用处理器的RT-Thread驻留方法

针对实时操作系统复杂性内核导致嵌入式应用程序编译速度慢、可复用性差的问题,提出基于通用嵌入式计算机架构(GEC)的RT-Thread实时操作系统驻留方法。在合理划分存储空间的基础上,通过对中断服务例程进行共享,为用户提供底层驱动与软件应用层的函数调用服务。最后以D1-H应用处理器为例进行RT-Thread驻留测试。实践结果表明,该驻留方法实现了系统内核与应用程序的物理隔离,编译时间更短,开发效率更高,为嵌入式程序开发的时效性、便捷性和简易性提供了应用基础。

多核处理器中混合关键级任务可调度及半分区划分算法

当前,多数多处理机中混合关键级任务可调度性分析以及半分区调度算法均针对单核利用率展开研究。但由于多核系统任务调度复杂性较高,现有研究结果存在各处理器负载不均衡以及任务可调度性不理想等问题。针对该问题,文中将动态需求边界函数(Dynamic Demand Boundary Function,DDBF)的应用范围扩展至多核处理器系统。根据半分区划分调度算法对DDBF改进,并加入了结转作业和前接作业分析提出了SDDBF(Super Dynamic Demand Boundary Function),可更精确地计算与利用资源。文中基于SDDBF提出了SDA(Stepper Dispatch Algorithm)可调度性分析法与半分区划分算法MCWF(Mixed-Criticality Worist First)。仿真结果表明,相较于AMC(Adaptive Mixed Criticality)、AMC-max以及XU算法,SDA可调度性分析判定提升了5%~10%,相较于WF_MY(Worst First_My)、WF_NEW(Worst First_New)算法,MCWF可使系统在任意关键等级下的CPU(Central Processing Unit)负载具有更良好的均衡性能。

多核处理器共享Cache的划分算法

针对多核处理器性能优化问题,文中深入研究多核处理器上共享Cache的管理策略,提出了基于缓存时间公平性与吞吐率的共享Cache划分算法MT-FTP(Memory Time based Fair and Throughput Partitioning)。以公平性和吞吐率两个评价性指标建立数学模型,并分析了算法的划分流程。仿真实验结果表明,MT-FTP算法在系统吞吐率方面表现较好,其平均IPC(Instructions Per Cycles)值比UCP(Use Case Point)算法高1.3%,比LRU(Least Recently Used)算法高11.6%。MT-FTP算法对应的系统平均公平性比LRU算法的系统平均公平性高17%,比UCP算法的平均公平性高16.5%。该算法实现了共享Cache划分公平性并兼顾了系统的吞吐率。

嵌入式多核系统中的实时混合任务调度算法

针对由周期任务和零星任务形成的实时混合任务集进行合理调度问题,文中提出了一种基于零松弛度边界公平(Boundary Fair until Zero Laxity,BFZL)的实时混合任务算法。该算法在改进边界公平(Improved Boundary Fair,I-BF)实时混合任务算法基础上,通过引入最小松弛度优先(Least Laxity First,LLF)算法中的松弛度参数来改进判定任务的优先级,并提出基于松弛度与启发式策略相结合的启发式算法改进任务的分配策略。实验结果表明,BFZL算法能够满足系统实时性,并达到了算法优化目的。通过数据对比分析可知,该算法相比于原始算法,零星任务的平均响应时间降低了约26%,上下文切换减少了约28%,迁移减少了约50%。该算法在调度开销方面也具有一定优势。

FreeRTOS在SPARC V8处理器上的移植

FreeRTOS是一款免费的嵌入式操作系统,具有源代码公开、配置要求低、运行效率高、功能全面的特点,而基于SPARC V8架构的处理器被广泛应用于卫星遥测、遥控、姿轨控和自主管理等航天领域中。使用嵌入式操作系统可以提高SPARC V8星载应用程序的应用范围和可靠性,但目前SPARC V8架构国内尚未有FreeRTOS成功的移植案例。本文基于SPARC V8架构处理器,结合SPARC V8窗口机制的特点进行了FreeRTOS在此平台上的移植和调试工作。测试结果表明,FreeRTOS各项基本功能运行正常,可用于SPARC V8架构下星载应用程序的开发工作。

面向实时操作系统μC/OS-II的两级优先调度算法

C/OS-II采用抢占式优先级调度算法,根据任务的重要程度分配不同的优先级,以确保系统的实时性。但μC/OSII不允许多个任务具有相同优先级,不仅限制了并发任务的数量和灵活性,而且在某些情况下会增加系统的复杂度,甚至可能给系统的运行造成安全隐患。本文通过改进μC/OS-II的优先级位图结构与调度算法,为μC/OS-II扩展了2级优先调度机制。改进后的系统允许用户为多个任务赋予相同的优先级,同一优先级下的任务按照二级优先级进行调度,且可以根据实际需要灵活选择二级调度策略。实验表明,该算法可有效提高μC/OS-II的并发能力和资源利用率,同时保持较低的系统开销和响应时间。

嵌入式激光打印控制系统的设计与实现

随着科技的迅速发展,嵌入式技术已在各种设备当中广泛使用,其中包括激光打印机。嵌入式激光打印控制系统作为打印机的核心组成部分,其性能直接影响着打印的质量。本文详细论述了嵌入式激光打印控制系统的设计与实现过程,包括硬件架构设计、软件设计以及功能实现等方面。通过实际测试与分析,嵌入式激光打印控制系统在打印质量、打印速度、系统稳定性和能耗等方面表现出明显优势。然而,在实际应用过程当中仍存在一定的改进空间,比如进一步优化控制算法和引入新型硬件设备等。本文的研究为嵌入式激光打印控制系统的发展提供了诸多有益的借鉴和启示,从而满足不断变化的市场需求和提高用户体验。

嵌入式系统设计中的实时性能优化策略

嵌入式系统作为典型的计算机应用系统渗透到各行各业中,如广泛应用于汽车控制、医疗设备、智能家居及通信系统等领域。嵌入式系统通常被设计成特定用途,因此其对实时性能的需求极高。实时性能的稳定性直接关系嵌入式系统的可靠性和安全性。文章深入探讨嵌入式系统设计中实时性能的优化策略,以应对嵌入式系统在不同领域应用中对实时性的高度需求。

基于FreeRTOS系统的协作式机器人设计

本文设计一款基于FreeRTOS系统的视觉协作式机器人.该机器人使用STM32F103ZET6作为本体MCU,实现机器人的运动姿态控制、视觉无线图传和使用语音、按键等人机交互等功能,并依托增量式PID算法,保证不同环境下机器人的运动稳定性.此外,设计独立遥控端,使用STM32F103C8T6作为遥控端MCU,可通过摇杆、体感等方式对机器人进行远程控制.本次设计旨在解决不同环境下对协作式机器人系统的实时性和交互性要求问题,并利用FreeRTOS实时操作系统将应用程序划分为各个不同优先级的任务,以MCU中不同任务分配内存、堆栈等占用最小资源为前提,实现机器人在不同环境下多线程任务同时执行的目的.

FreeRTOS线程执行时间统计方法设计与应用

为精确获得嵌入式实时操作系统线程执行时间信息,本文针对意法半导体STM32嵌入式开发平台,以STM32F407单片机为例,基于STM32CubeMX开发工具生成的FreeRTOS工程对线程执行时间统计测量功能进行完善与软件设计,并对FreeRTOS支持包中的时间状态API接口进行介绍与配置,提出使用单片机硬件定时器实现微秒级高精度线程执行时间测量器的设计。实验测试结果表明,该软件设计方法可移植性强,能够正确输出执行时间信息,适用于对线程执行时间要求较高的嵌入式项目以及STM32系列单片机嵌入式工程设计。

基于STM32的mbedOS优先级反转问题机制剖析

目前,针对嵌入式实时操作系统优先级反转问题的研究集中在VxWorks操作系统、WinCE操作系统、μC/OS-Ⅱ操作系统等,而对mbedOS操作系统避免优先级反转问题的机制研究方面缺乏相关材料。基于分析优先级反转问题出现的缘由、现象以及相关解决方案,通过实验例程对mbedOS中解决优先级反转问题的机制进行深入剖析。最后通过时序图的方式对该机制进行归纳总结,可为mbedOS的应用研究和在不同微控制器上的移植提供基础,也可为不同实时操作系统下解决优先级反转问题机制的比较分析提供参考。

基于mbedOS的事件机制响应调度的实时性分析

事件机制是mbedOS中一种对任务进行实时控制的同步手段。为了深入分析事件机制响应调度的实时性,提出一种基于printf函数的时序分析方法,通过中断与线程的同步实验,在简要分析了响应调度的理论时间和过程的基础上,对实际响应时间进行了测试和分段解析,进一步探究了影响响应时间的要素。实验结果表明,该方法能有效完成实时性分析,提高mbedOS中事件机制对任务的更精确控制,也为其他RTOS(Real-Time Operating System)的实时性分析提供一定的技术基础。

基于STM32L431RC微控制器实时操作系统驻留方法

实时操作系统在面向以微控制器的嵌入式系统的开发中越来越重要,为降低实时操作系统的编程难度和节省程序的编译时间,基于通用嵌入式计算机架构下实现实时操作系统的驻留,提出合理的程序框架设计和Flash、RAM空间的分配原则,利用应用程序编程接口的方式提供给用户进行应用程序的开发。实验结果表明,该方法有效地降低了编程难度,节省了编译时间,提高了程序的可移植性,具有可行性。

支持MIPS架构的轻量型开源鸿蒙系统移植

空间数据系统咨询委员会高级在轨系统标准定义的空间数据系统分布式架构是提高星载系统整体可靠性的一种有效方案。国内通常采用基于MIPS架构的龙芯系列处理器作为该架构典型应用节点的航天器控制终端,但由于缺失自主可控的轻量型操作系统,限制了该架构在航天领域的部署与应用。为了构建自主可控的航天信息系统技术体系,实现在龙芯控制终端上移植适配国产轻量型开源鸿蒙操作系统的目标,通过分析开源鸿蒙操作系统LiteOS-M轻量实时内核与MIPS架构,聚焦硬件抽象层(HAL)和内核硬件相关部分,设计并实现一种包括引导系统启动加载、HAL架构适配、串口驱动、内核裁剪、工具链搭建的移植方案。为了验证移植后系统的基础功能与实时性能指标,在基于MIPS架构的龙芯星载控制终端LS1J与LS1C硬件平台上设计测试用例并开展实验。实验结果表明,轻量型开源鸿蒙操作系统成功适配MIPS架构,能够稳定可靠地运行在龙芯控制终端上,系统任务上下文切换时延为0.229μs,中断响应时延为4.73μs,满足实时性系统指标。

mbedOS实时操作系统延时机制剖析

延时函数的使用可以避免程序空跑,让CPU更好地为其他任务服务。通过对延时函数基本原理的阐述,剖析了mbedOS实时操作系统延时函数的调度机制。以意法半导体的STM32L431芯片为例,进行mbedOS延时函数剖析实践,结合相关函数、关键代码、流程图、时序图、printf调试等分析手段,将延时函数的整个调度过程显示输出。通过对延时函数的分析,有助于读者从微观层面理解其调度过程,也可为分析其他实时操作系统提供参考和借鉴。

基于决策表的AUTOSAR操作系统一致性测试研究

汽车开放系统架构(AUTOSAR)规范为车载嵌入式操作系统及其相关服务定义了一系列的抽象标准接口,得到了广泛应用。传统AUTOSAR操作系统一致性测试方法针对性不强,无法测试不同一致类级别的操作系统,被测系统需要符合最高一致类级别要求才可以通过测试,因此需要额外抽取符合要求的测试用例。基于决策表设计了一种面向AUTOSAR操作系统的一致性测试方法。决策表是一种表达事件在逻辑上相互依赖关系的符号手段,可将复杂的逻辑关系和多种条件组合情况详细地列举出来,且可根据需求进行重制。通过在设计测试用例时参照一致类进行划分,使得测试用例在生成时被赋予一致类属性,可针对不同级别操作系统进行测试。在实际实验中,该方法实现了不同一致类操作系统的针对性测试,对5个功能模块的4种一致类执行了测试,避免了379条测试用例的额外抽取,提升了测试效率。