μC/OS-Ⅱ的線控轉(zhuǎn)向FlexRay通信控制技術(shù)
FlexRaY是時間觸發(fā)的通信總線，對實時性要求較高，因此僅僅依靠由簡單循環(huán)和中斷服務(wù)程序組成的嵌入式程序?qū)o法滿足要求。同時，F(xiàn)lexRay通信在啟動和運行過程中，需要利用循環(huán)對總線狀態(tài)進行查詢，既浪費大量的系統(tǒng)資源，又容易造成程序死鎖，成為應用中的難點問題。
基于上述問題，本文基于μC／OS-II操作系統(tǒng)，設(shè)計了線控轉(zhuǎn)向中FlexRay總線的通信部分。在滿足實時性要求的基礎(chǔ)上，利用其多任務(wù)的特點，節(jié)約了系統(tǒng)資源，避免了死鎖問題的出現(xiàn)，并增加了通信故障檢測報警功能，為今后開發(fā)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
1 FlexRay總線技術(shù)
為了滿足汽車線控技術(shù)的需求，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟于2005年發(fā)布了FlexRay總線協(xié)議。其主要特點有：雙通道傳輸，每個通道的傳輸速率高達lO Mb／s；具有靈活的使用方式，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；負載率高；提供冗余機制。
從開放式系統(tǒng)互連參考模型角度來看，F(xiàn)lexRay通信協(xié)議定義了四層結(jié)構(gòu)：物理層、傳輸層、表示層和應用層，各層功能描述見表1。表示層中，通信狀態(tài)切換控制整個FlexRay通信的運行過程，具有十分重要的作用。
FlexRay協(xié)議操作控制(Proposal OperaTIon Control，POC)將通信狀態(tài)分為幾種狀態(tài)，分別為：配置狀態(tài)(默認配置、配置)；就緒狀態(tài)；喚醒狀態(tài)；啟動狀態(tài)；正常狀態(tài)(正常主動、正常被動)；暫停狀態(tài)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖1所示。當控制器主機接口(Controller Host InteRFace，CHI)給通訊控制器(CC)發(fā)送命令后，CC從暫停狀態(tài)進入默認配置狀態(tài)，滿足配置條件后進入配置狀態(tài)，完成網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點通信任務(wù)初始化；之后可以進入就緒狀態(tài)，完成節(jié)點內(nèi)部通信設(shè)置，如果沒有滿足通信就緒條件，就返回配置狀態(tài)繼續(xù)配置；在就緒狀態(tài)，CC可以發(fā)送喚醒幀，喚醒網(wǎng)絡(luò)中沒有在通信的節(jié)點，也可以獲得CPU的啟動通信命令，完成與FlexRay網(wǎng)絡(luò)時鐘同步；啟動成功后進入正常狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)；當出現(xiàn)錯誤時，可由正常狀態(tài)進入暫停狀態(tài)，重新等待CHI命令。
由此可見，控制器需要按照POC狀態(tài)進行相應操作，因此會出現(xiàn)對POC狀態(tài)的循環(huán)檢測，容易造成程序死鎖以及占用大量系統(tǒng)資源。按照操作系統(tǒng)的介紹，其任務(wù)是以循環(huán)的形式存在的，因此可以將檢測POC狀態(tài)放入任務(wù)中單獨執(zhí)行，通過操作系統(tǒng)進行任務(wù)調(diào)度，可以避免影響到其他任務(wù)中程序的運行，并且提高程序的執(zhí)行效率。
2 基于MC9S12XF512的μC／OS-Ⅱ移植
μC／OS-Ⅱ是源碼公開的操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小和實時性能優(yōu)良等特點。利用該操作系統(tǒng)的任務(wù)機制，設(shè)計實現(xiàn)Flex-Ray協(xié)議，可以大大提高系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，并且可以避免檢測POC狀態(tài)時的死鎖現(xiàn)象。
目前市場上支持FlexRay通信的單片機較少，只有Freescale公司的技術(shù)比較成熟。考慮到成本問題，選擇16位單片機MC9S12XF512作為系統(tǒng)控制器芯片。操作系統(tǒng)的使用首先要解決的就是移植問題。根據(jù)μC／OS-Ⅱ的文件結(jié)構(gòu)，移植時需要對OS_CPU．H，(OS_CPU_A．ASM和OS_CPUC．C三個文件進行修改，以適合MC9S12xF512芯片的需要。
2．1 修改OS_CPU．H文件
OS_CPU．H文件定義與CPU相關(guān)的硬件信息，包括各種數(shù)據(jù)類型對應的存儲長度等。針對MC9S12xF512中的堆棧是由高地址向低地址增長的，所以常量OS_STK_GROWTH必須設(shè)置為1。同時，定義任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_TASK_SW()設(shè)置為軟中斷源。
2．2 修改OS_CPU_A．ASM文件
OS_CPU_A．ASM文件是使用匯編語言編寫與任務(wù)調(diào)度部分有關(guān)的代碼。包括任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()、中斷級任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw()、以及讓優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)開始運行的函數(shù)OS-StartHighRdy()。
MC9S12XF512芯片不僅設(shè)有FLASH頁面管理寄存器PPage，也有RAM頁面管理寄存器RPage、E2PROM頁面管理寄存器EPage以及全程寄存器GPage。當時鐘節(jié)拍中斷發(fā)生時，芯片會自動把CPU寄存器推入堆棧，但是并不包括上述各寄存器，因此在OS_CPU_A．ASM文件三個函數(shù)中，均需要加入將寄存器入棧和出棧的語句。由于篇幅有限，僅以PPage代碼為例：
寄存器的入棧必須按照GPage，EPage，RPage，PPage的順序，出棧則相反。
2．3 修改OS_CPUC．C文件
OS_CPUC．C文件是使用C語言編寫與任務(wù)調(diào)度部分有關(guān)的代碼，包括任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStklnit()和時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序OSTIcklSR()。
2．3．1 修改任務(wù)堆棧初始化函數(shù)0STaskStkInit()
由于μC／OS-Ⅱ是利用中斷方式來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的，因此需要使用函數(shù)OSTaskStklnit()來模擬發(fā)生一次中斷后的堆棧結(jié)構(gòu)，按照中斷后的進棧次序預留各個寄存器存儲空間，而中斷返回地址指向任務(wù)代碼的起始地址。編寫時需要根據(jù)芯片的中斷后，X，Y，A，B，SP等寄存器入棧順序來進行代碼編寫。首先在例程OSTaskStkInit()函數(shù)處設(shè)置斷點，然后單步執(zhí)行程序，觀察X，Y，A，B，SP等寄存器狀態(tài)是否與程序編寫的存儲值對應。發(fā)現(xiàn)對應于堆棧指針SP值的存儲區(qū)地址是模擬中斷時進棧的存儲地址，而其中保存任務(wù)程序指針地址的內(nèi)容是錯誤的，即不是任務(wù)的指針地址，因此每次在需要調(diào)用任務(wù)執(zhí)行時都進入了錯誤的地址進行執(zhí)行，并沒有找到任務(wù)的代碼。通過單步執(zhí)行OSTaskStkI-nit()函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)原程序在存儲任務(wù)代碼指針PC值時，只存儲了PC指針的高8位，但后8位未存，導致指針指向錯誤。因此修改程序為：
*--wstk=(INTl6U)((INT32U)task)；
2．3．2 修改時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序OSTIckISR()
時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序OSTIckISR()負責處理所有與定時相關(guān)的工作，如任務(wù)的延時、等待操作等。在時鐘中斷中將查詢處于等待狀態(tài)的任務(wù)，判斷是否延時結(jié)束，否則將重新進行任務(wù)調(diào)度?？梢酝ㄟ^調(diào)用OSIntEnter()。OS_SAVE_SP()，OSTimeTick()和OSIntExit()四個函數(shù)進行實現(xiàn)。OSintEnter()函數(shù)通知μC／OS-Ⅱ進入中斷服務(wù)子程序，OS_SAVE_SP()函數(shù)用來保存堆棧指針，OSTimeTick()函數(shù)給要求延時若干時鐘節(jié)拍的任務(wù)延遲計數(shù)器減1，當反復運行該程序后，計數(shù)器為0時，則表明該任務(wù)進入了就緒狀態(tài)，OSintExit()函數(shù)標志時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序結(jié)束。
之后最重要的一點，就是要將中斷服務(wù)子程序OSTickISR()與任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()添加到系統(tǒng)中斷向量表的相應位置中。這里使用的是實時時鐘中斷模塊(RTI)來實現(xiàn)時鐘中斷的產(chǎn)生，因此要將OSTickISR()連接到向量表RTI位置。OSCtxSw()函數(shù)是利用軟中斷來實現(xiàn)任務(wù)的切換功能的，因此軟中斷服務(wù)子程序的向量地址必須指向OSCtxSw()。
在進行上述程序編寫后，下載代碼到硬件中，μC／OS-Ⅱ就可以在本系統(tǒng)上實現(xiàn)運行了。
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