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1、学校代号 10532 学 号 S08102009 分 类 号 TP311 密 级 普通 硕士学位论文面向汽车控制系统的数据管理系统研究Research on the Data management System in Automotive Control SystemsbyDAN WenwuB.E.(HUBEI Police University)2008A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofMaster of EngineeringinComputer Science Te
2、chnologyin theGraduate SchoolofHunan UniversitySupervisorAssociate Professor YANG KehuaMay, 2011湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规
3、定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密R。(请在以上相应方框内打“”)作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要随着汽车电子产业的不断发展，当前汽车电子控制系统的规模越来越大，功能越来越复杂，系统需要处理的数据量急剧增加。当前的系统中各个ECU独立的处理数据，这种方法导致系统数据冗余度很高，不能满足系统日益增长的数据管理需求。现在通用的数
4、据管理方法并不适合应用在嵌入式实时异构的汽车控制系统中，因此需要设计一个特殊的数据管理系统，对汽车控制系统中的数据进行统一、高效的管理。本文针对汽车控制系统嵌入式实时异构的硬件环境，分析汽车控制系统数据管理的特点，利用组件技术，设计一种可配置的混合式嵌入式实时数据管理系统（VDMS）。参照AUTOSAR标准，对软件组件和虚拟功能总线的基本概念进行分析，按照AUTOSAR方法，研究如何将VDMS整合到AUTOSAR环境中，设计它的结构模型。本论文的主要工作总结为以下方面：（1）研究国内外汽车控制系统数据管理发展状况，分析最新的AUTOSAR标准，特别研究了AUTOSAR软件体系结构和方法论的部分
5、。（2）针对异构的汽车控制系统硬件环境，基于组件技术，提出一种混合式的汽车数据管理系统结构模型（VDMS），VDMS的组件可以分布在子系统中的任意ECU之上。（3）按照AUTOSAR标准，定义VDMS软件组件以及描述文件，研究如何将VDMS整合到AUTOSAR环境中，设计VDMS的结构模型。（4）参照AUTOSAR标准，搭建虚实结合的汽车车身电子测试环境，将VDMS应用在安全气囊控制模块中。关键词：汽车控制系统；AUTOSAR标准；汽车数据管理系统；软件组件 AbstractWith the development of automotive electronics industry, the
6、 functional scope of automotiveelectronic control system are growing significantly fast, the amount of data that needs to be managed is increasing dramatically. In todays systems, the data is handled in an hoc fashion, using internal data structures,it causes the system toa high degree ofdata redund
7、ancy, and it does not satisfy the increasing demand of the efficient data management in automotive control systems. Using a general-purpose off the shelf DBMS is not feasible, thereby we need to develop a particular DMS, which could provide a uniform and efficient way to manage data in vehicle.In th
8、is paper we research the characteristic of the data management in automotive control systems, utilize the benefits of component-based software development(CBSD) and aspect-oriented software development（AOSD）, design a configurable and hybrid VDMS for resource-constrained automotive control systems.
9、And we referring to AUTOSAR standards, analyze AUTOSAR software-architecture, AUTOSAR methodology, and VDMS software-components. After discussing the fundamental concepts of VFB and studying on the methodology of implementation, we discuss how to integrate the VDMS into AUTOSAR component model witho
10、ut violating the AUTOSAR standard. And then we design the system architecture of the VDMS.This thesis focuses on the following aspects：(1) Investigation of automotive control systems development, and analysis of the latest AUTOSAR standard, especially the relevant parts of the AUTOSAR software- arch
11、itecture and methodology.(2) Utilize the benefits of Component-Based Software Engineering, propose a hybrid VDMS model, and the software components of the VDMS can be distributed over arbitrary number of ECUs in every subsystem.(3) Detailed analyze the VDMS software-components and SW-Cs description,
12、 Investigation how to how to integrate the VDMS into AUTOSAR environment, design the system architecture of the VDMS.(4) We design a Virtualreal experiment environment based on AUTOSAR standard, and it is succeed on the fictitious environment, Apply the VDMS in Airbag system, Analysis the performanc
13、e of the system.Key Words: Automotive control systems; AUTOSAR; VDMS; Software Component目 录学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书I摘 要IIAbstractIII插图索引VII附表索引IX第1章 绪 论11.1研究背景及意义11.2研究基础与现状21.3论文的工作31.4论文组织结构4第2章 相关技术基础62.1汽车控制系统62.2汽车控制系统数据管理特性分析82.2.1 实时特点92.2.2 嵌入式特点92.3AUTOSAR标准102.3.1 AUTOSAR标准软件构架112.3.2 AUTOSA
14、R方法112.3.3 AUTOSAR标准接口132.4小结14第3章 可配置的汽车控制系统VDMS框架研究153.1 汽车控制系统中的组件技术153.1.1 基于组件的软件开发153.1.2 基于方面的软件开发163.2 基于组件的数据库管理系统设计173.2.1 组件划分173.2.2 组件设计183.2.3 系统结构213.3 汽车控制系统数据管理方法213.3.1 集中式223.3.2 分布式233.3.3 混合式243.4 混合式数据库管理系统体系结构253.4.1 数据库指针253.4.2 系统结构和模型263.5 小结27第4章 基于AUTOSAR的可配置VDMS系统设计284.1
15、 AUTOSAR系统设计流程284.2 AUTOSAR软件组件定义294.2.1 软件组件描述文件模板294.2.2 软件组件接口类型314.3 虚拟功能总线324.3.1 RTE344.4 基于AUTOSAR的VDMS模型344.4.1 诊断日志和跟踪模块344.4.2 VDMS组件描述文件354.4.3 系统模型364.5 小结37第5章 VDMS的测试385.1 测试环境搭建385.2 实验分析415.3 小结43结 论44参考文献46致 谢50附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及参与的科研项目51插图索引图 2.1 端到端截止期7图 2.2 共享变量的I/O任务8图 2.3 AUTO
16、SAR软件架构层次图11图 2.4 AUTOSAR系统设计与开发流程12图 2.5 软件构件的接口定义13图 3.1 任意形状组成的组件技术16图 3.2 基于组件的RTDBMS配置流程18图 3.3 用户接口组件的接口UML图19图 3.4 事务管理组件接口UML图19图 3.5 索引管理组件接口UML图20图 3.6 内存管理组件接口UML图20图 3.7 内存管理组件接口UML图20图 3.8 基于组件的RTDBMS结构21图 3.9 汽车控制系统结构22图 3.10 集中式结构22图 3.11 分布式结构24图 3.12 混合式结构24图 3.13 VDMS结构25图 3.14 使用数
17、据库指针的I/O任务26图 3.15 混合式系统模型27图 4.1 AUTOSAR软件设计流程28图 4.2 AUTOSAR软件组件29图 4.3 软件组件类型30图 4.4 软件组件描述文件模板30图 4.5 软件组件接口类型定义模板32图 4.6 VFB配置流程图33图 4.7 DLT模块35图 4.8 用户接口组件描述文件35图 4.9 事务调度组件描述文件35图 4.10 事务管理组件描述文件36图 4.11 用户接口组件数据结构体36图 4.12 基于AUTOSAR的VDMS模型37图 4.13 VDMS在ECU上的实现37图 5.1 车身电子网络结构简图38图 5.2 虚拟物理部件
18、39图 5.3 虚拟ECU39图 5.4 实际ECU与虚拟物理部件相连39图 5.5 虚拟部件效果图40图 5.6 虚拟中控台界面40图 5.7 “中气”安全气囊控制系统构架图41图 5.8 ECU结构41图 5.9 采用统一数据管理的ECU结构41图 5.10 安全气囊上位机监测软件42图 5.11内部数据处理与VDMS事务丢失率对比图42图 5.12 与AUTOSAR环境中事务丢失率对比图43附表索引表 2.1 ECU硬件性能提升9表 3.1 用户接口组件18表 3.2 事务管理组件接口定义19表 3.3 索引管理组件接口类型19表 3.4 内存管理组件接口类型20表 3.5 事务调度组件
19、接口20表 4.1 端口类型31第1章 绪 论1.1 研究背景及意义近年来，汽车控制系统已经从简单的单处理器系统发展到复杂的分布式系统，系统的功能越来越复杂，需要处理的数据量急剧增加，预计每年增加7-10%1。当前汽车系统内采用ECU内部数据处理的方法，这种方法使系统在设计、实现和验证时代价高，同时不能满足系统日益增长的数据管理的要求。随着数据复杂度提高，一个统一、高效、持久的方式来存储数据变得越来越重要。在汽车控制系统中使用一个实时数据库管理系统（RTDBMS）可以解决很多问题，如，数据锁定，持久性和并发控制等问题。更重要的是，将一个RTDBMS整合到汽车控制系统中，可以降低系统的开发代价，
20、提高系统的可靠性和可扩展性2。汽车控制系统是一个异构的系统，由很多的节点（电子控制单元，ECU）组成，具有资源限制的特性1，不同节点对资源要求不同，但是各节点间交换、共享、操作数据，需要有一种统一的方式来进行数据管理，避免影响系统的性能，如通过RTDBMS。不同汽车控制系统对数据管理需求具有可变性，因此对不同的系统需要有特殊的DBMS配置。比如在安全关键节点中，任务往往是非抢占式调和离线调度的，意味着要求这些节点的RTDBMS体积很小并且可以由预定的功能配置，如同步和并发控制，能够被离线操作。对于目前的一些典型的商业嵌入式数据库产品：Pervasive SQL3，Polyhed- ra4,Be
21、rkeley DB5和TimesTen6，虽然它们体积小且适合应用在资源限制的汽车控制系统，但这些数据库不具备实时性，因此不适宜部署在汽车控制系统中。对于一些实验研究的实时数据库系统如DeeDS，RODAIN等，虽然满足实时需求，但它们是应用在大规模的实时应用领域，不适合应用在资源限制的嵌入式环境中。汽车工业的发展面临新的挑战，随着汽车功能越来越复杂,汽车电子的开发过程变得更复杂。用户对汽车电子产品的功能需求以及个性化要求不断增加，如诊断这种非功能性需求,使得ECU软件开发过程更加复杂。在高级豪华汽车中大约有70多个ECU ,几条车内网络总线，大约有超过1000个软件功能。由于汽车电子领域硬件
22、平台的多样性,ECU软件开发对于硬件和系统配置有很强的依赖性，不同系统或者平台中约束条件的改变都将导致程序重写或修改。AUTOSAR (AU- TOmotive Open System Architecture：汽车开放系统体系结构)标准，降低了ECU软件开发的复杂度，提高了软件组件的复用度，提高了系统可靠性。AUTOSAR是汽车电子产业内多家整车厂商和供应商针对汽车电子嵌入式系统联合起草的开放式工业标准，它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，提出了标准化的软件架构方案，以便提高不同的汽车和平台上的软件复用，降低开发成本。AUTOSAR标准的目的是为软件开发流程通过通过工具
23、提供通用的支持，使得开发人员可以在对硬件一无所知的情况下进行应用软件的开发，并将这个软件应用在任何符合AUTOSAR标准的ECU中，实现应用程序重用49。1.2 研究基础与现状针对汽车控制系统嵌入式实时分布式的特性，汽车电子的数据管理特殊需求，至今仍未有一个成熟的面向应用的产品出现。嵌入式数据库在嵌入式系统中越来越常见，主要是用于存储和处理所在设备和其他地方的数据，可以访问监视器、进行系统诊断以及其他工作。市场上有几个商业的嵌入式数据库产品，与传统的企业数据库系统的性能指标是吞吐量和平均响应时间不同，由于嵌入式系统在物理尺寸，资源限制，以及CPU利用率等因素的影响，嵌入式数据库需要考虑最小化内
24、存占用率，减少CPU的利用率，支持多种操作系统，以及高可靠性等要求。实时数据库是指事务和数据都定时限制，系统的正确性不仅要满足事务执行的逻辑结果，又要满足时间约束7。同时满足这两种一致性要求的实时事务的处理与传统的数据库相比具有更大的困难，系统宁要部分正确但准时到达的数据，不要绝对正确但超过截止期的数据。系统性能指标只定时限制事务的完成率，它可以牺牲数据的准确性与一致性以保证硬实时事务能够在截止期前能够完成。软实时事务满足截止期的比率相对较高，但要100满足截止期很难达到89。由于嵌入式数据库系统常常需要对外界环境作出实时反应，比如在汽车控制系统中，系统必须同时具备实时性、主动性和嵌入式的特点
25、，所以需要开发一种适合这种嵌入式实时环境的嵌入式实时数据库系统。嵌入式实时数据库系统的研究尚处于初级阶段，目前未见成熟的产品，通过对市面上的一些嵌入式数据库系统如Pervasive.SQL，Polyhedra，Berkeley DB，TimesTen和实时数据库系统DeeDS，RODAIN,ARTS-RTDB进行研究发现1：(1)嵌入式产品没有严格的实时特性以满足车辆控制系统的要求(2)实时的数据库不能适应嵌入式的环境文献2在沃尔沃公司两种车型的基础上,研究如何将一个数据库管理系统（DBMS）整合到这类特定的汽车控制系统中，针对嵌入式硬实时的应用程序，强调数据的有效性需求，满足事务处理和任务的
26、截止期要求。针对现有的应用软件分离出以数据为中心的任务，并在此基础上抽象并提出了数据库管理系统的模型。在这个模型中，数据库获得来自传感器或其它存储设备的数据，进行统一管理存储，并向外提供数据访问接口。文献10介绍了一个可配置的实时数据库平台COMET，由瑞典的马拉达伦大学和林雪平大学通过与沃尔沃汽车公司联合开发的。COMET平台包含了一个组件和方面库，并且还有一个工具集支持，用来辅助系统设计者，针对不同的目标系统和他们的节点的不同需求，生成不同的COMET配置。按照CBSD的方法，组件封装不同的数据库功能，按照AOSD对软件系统中多种关注点进行独立描述，比如并发控制，日志，和系统恢复等功能，他
27、们的实现必须分散到系统中其他的组件中，称为横切关注点，对横切关注点进行封装、管理，形成方面包。组件和方面包一起形成组件库。按照配置工具集，针对不同的电子控制单元对数据管理的不同需求，选择不同的组件形成不同配置的数据库管理系统。文献11在COMET平台之上，研究面向方面和组件的实时系统的组件和方位(Aspects)开发技术，支持系统的时间限制，空间和资源限制，考虑组件之间的组合性等问题。文献12中针对实时数据库系统硬事务和软事务的要求，提出了数据库指针（Database Pointer）的概念，它可以很好的提高事务的处理效率。数据库指针可以不需要通过数据库索引，快速、可预见地访问数据库中的数据。
28、它提供的数据访问接口类似于指针操作，非常适合于控制系统中的一些数据进行高频访问的操作。在数据库通过数据库指针来操作数据，不会破坏数据在逻辑和时间上的一致性，以及事务的串行性。将数据库指针整合到一个数据库管理系统中去，而不会破坏数据库的完整性。文献1214还介绍了并发控制算法2V-DBP和2V-DBP-SNAP，2V-DBP适合应用在资源限制的，在安全关键的实时系统中，具有硬实时和软实时的事务，此算法允许硬数据库指针事务和软关系事务在执行时不会相互阻塞。通过与2PL-HP算法进行性能比较，得出2V-DBP与2V-DBP- SNAP能够更好的提高系统性能，降低事务冲突和响应时间。文献15介绍了车辆
29、控制系统中的软件组件技术，概述了运用在嵌入式系统中的不同组件模型Koala和Rubus用于工业和研究模型PECT、PECOS和ROBOCOP，研究了组件方法学和组建系统开发进程。组件规范及组成，提供了组件模型，其中包括了安全性组件和支持协助部分的基础设施的基本特征，技术分析和验证功能的正确性，实时性，安全性和可靠性，运行时的配置支持，包括系统内装配的支持、监测时间和可替换配件的评估。文献2223介绍了按照软件产品线（SPL）的方法，在嵌入式系统中实现一个高可定制的嵌入式数据库系统FAME-DBMS，按照基于特性的程序设计（FOP）将DBMS分解，然后按照SPL针对不同的功能或者非功能的需求，形
30、成可剪裁的DBMS。1.3 论文的工作综上所述，汽车控制系统是一个嵌入式实时的异构系统，通过对汽车控制系统数据管理的需求进行分析发现，通用的数据管理的方法不适合汽车控制系统嵌入式实时的特性。为了满足系统中不同的节点的特殊数据管理需求，提高系统的性能，一个统一、高效的数据库系统是必不可少的。本文针对汽车控制系统的数据库系统进行了研究。基于组件的软件工程（CBSE）通过组件重用和简化并行组件开发能够缩短软件开发的时间。CBSE也支持维护性，基本原理是软件应用都是由组件构成。组件技术为基于组件的软件合成提供支持，本文就是在基于组件的汽车控制系统数据管理技术研究的基础之上，针对汽车控制系统异构的硬件环
31、境，结合集中式和分布式结构的优点，提出一种混合式的数据库管理系统结构模型。目前对于汽车控制系统数据管理技术的研究，仍然没有形成一个统一有效的数据管理的标准，随着汽车功能越来越复杂，系统分布式异构的硬件环境，系统开发和维护代价极大。AUTOSAR提供了一套经过实践验证的软件架构方案,并以此为基础开发可重用应用程序，可以降低ECU软件开发的复杂度。AUTOSAR将汽车电子软件架构分成若干层和模块，为各个模块提供标准的接口定义，同时AUTOSAR定义了软件组件开发标准，以及易于交换的硬件平台标准。AUTOSAR开发成员不仅提供了基础软件模块的规范,还提供了用于开发分布式系统应用程序的方法。本文提出一
32、种基于组件的混合式汽车控制系统数据管理系统模型（VDMS），然后按照AUTOSAR标准软件层次构架，AUTOSAR方法论以及标准接口，研究如何将VDMS整合到AUTOSAR环境中，实现对系统数据的统一管理，兼容AUTOSAR的标准。本文所做的工作总结如下：（1） 在基于组件的数据库管理系统研究的基础上，根据汽车控制系统的嵌入式异构环境，分析集中式和分布式汽车数据管理系统结构的特点，提出一种混合可以VDMS结构模型，为汽车控制系统每个子系统配置一个VDMS，在子系统中VDMS组件可以分布在子系统中的任意ECU之上。（2） 研究如何将基于组件的可配置的VDMS整合到AUTOSAR环境中，按照AUT
33、OSAR标准体系框架，定义VDMS软件组件以及描述文件，设计VDMS在AUTOSAR环境中的结构模型。（3） 搭建虚实结合的汽车电子车身实验环境。通过PC机模拟汽车物理部件或者模拟ECU，通过串口将虚拟部件连接到转换芯片上面，形成虚拟的车身电子网络, 将VDMS模块应用在在安全气囊控制系统中。1.4 论文组织结构本文的论文组织结构如下：第一章，绪论，分析汽车控制系统中数据管理的研究背景意义和国内外相关研究现状，介绍了本论文的主要工作内容和目的，最后给出了论文的组织结构。第二章，介绍汽车控制系统数据管理的背景知识，对汽车控制系统的特点进行了分析，描述了汽车控制系统中数据管理的特性。接下来重点阐述
34、了AUTOSAR标准的软件构架，方法论，以及标准接口，介绍了AUTOSAR标准在汽车电子软件开发中的重要作用。 第三章，介绍如何按照组件技术，将RTDBMS按照功能进行分解形成组件库，形成一个可剪裁的RTDBMS。根据汽车控制系统嵌入式实时分布式的特点，我们设计一种混合式的汽车控制系统数据管理方法（VDMS），为每一个子系统建立一个VDMS，根据子系统数据管理需求的不同，选择不同的组件进行配置，在子系统中VDMS组件可以分布在任意的ECU之上，结合了集中式和分布式的特点，数据的传输性能大大的提高，增强了系统的负载平衡。第四章，研究如何将VDMS整合到AUTOSAR环境中，兼容AUTOSAR的特
35、性，给出VDMS的系统模型。按照AUTOSAR标准，定义VDMS软件组件以及描述文件，设计AUTOSAR环境中VDMS的结构模型。第五章，研究虚实结合的汽车电子实验环境，通过PC机模拟汽车物理部件或者模拟ECU，通过串口将虚拟部件连接到转换芯片上面，形成虚拟的车身电子网络, 将VDMS应用在安全气囊系统中，分析系统的性能。第2章 相关技术基础本章简单地对汽车控制系统中数据管理特性进行了分析，介绍了AUTOSAR标准的软件构架、方法论和标准接口的概念。2.1 汽车控制系统在最近三十年中，汽车的控制系统已经从简单的单处理器系统变成了复杂的分布式系统，现在汽车的很多功能都是由车载计算机控制系统实现的
36、。汽车控制系统主要有：车身控制系统、混合动力控制系统、双离合器自动变速系统、电子助力转向系统、发动机管理系统、信息娱乐系统、故障诊断系统，驾驶舒适度控制系统等。典型的汽车控制系统是由一系列的车载计算机构成的节点组成。这些节点被称之为电子控制单元（ECU），汽车中某些ECU可能需要其他ECU中的数据。例如,车速超过24KM/H，车门自动落锁，就涉及到动力（速度参数来自于动力系统）和车身两个子系统。汽车控制系统中大约有70个多个ECU，针对跨节点的数据传输，不同的标准有不同的做法。OSEK/VDX为控制单元应用程序提供统一的通信环境，应用程序可以通过它与不论是否在同一个ECU上的应用程序传递消息，
37、例如通过CAN, FlexRay43总线。每个电子控制单元包含一些任务，每个任务执行特定的功能。车辆控制系统中典型的任务包括：I/O任务、控制任务、管理任务等。（1）I/O任务：被用来在控制状态下与系统进行通信，例如：读传感器的值和更新执行器。（2）控制任务：用来执行控制决策。（3）管理任务：用来履行一些管理员的功能，比如系统诊断和记录系统事件。图 2.1 展示了几个任务一起执行一个控制功能。左边两个I/O任务侦测外界环境（例如：读硬件传感器），获取车辆当前的状态信息，例如汽车的行驶速度和油门踏板的位置等，然后这些数据被传送到控制任务中，根据传送来的当前的速度和油门踏板的位置，通过控制算法计算
38、向发动机中注油的数量，右边的I/O任务负责将这个值发送到燃油喷射器。图2.2 展示了一个例子：I/O任务负责读温度传感器的值，然后将它写到一个共享变量中，共享变量通过一个信号量保证它的完整性，例如，在更新时不能被执行读操作。车辆控制系统必须及时的根据外界环境和条件的变化及时调整系统状态，因图 2.1 端到端截止期此系统必须具有实时的特点，也就是系统必须是实时系统。实时系统考虑数据及其处理相关联的定时限制，也就是任务中的数据只是在一定的时间内有效。这通常是因为输入系统的数据对应着现实世界中发生的一些事件，输出的结果必须与此事件的处理相关。延迟时间必须在截止日期内才是可以接受的，否则不能保证计算结
39、果执行的正确性。实时系统是一个对运行结果在规定时间内输出严格有要求的系统。从输入到输出的延迟时间必须足够小，在可接受的时效性之内。在系统中增强及时性的重要方法之一是截止期的概念。在图2.1 给定了一个端到端的截止期，就是说程序执行结果必须在规定的时间内产生。实时系统可分为两大类型，即：硬实时系统：任务的响应时间是实时的，而且要求在规定的时间内完成事件的处理，很少涉及人为的干涉，这些系统通常称为安全关键系统。很多汽车控制系统的功能有硬实时的需求。软实时系统：仅要求时间响应是实时的，并不要求限定某一任务在多长时间内完成。事务超过截止期，很少能影响系统的服务质量。对于汽车控制系统，管理任务通常被视为
40、软实时的。大部分的实时系统，包括汽车控制系统中对任务的调度往往是离线调度和周期性调度。在一个离线调度的系统中，系统运行前根据各任务的时间约束及关联关系，采用搜索策略生成一张类似于列车运行时刻表的任务运行时刻表，指明了各任务的起始运行时刻及运行时间。在系统运行时，运行时刻表不再变化，调度器根据这张时刻表启动相应的任务，调度被循环执行，因此系统是周期性的。在一些安全关键领域，例如汽车和航空领域，离线调度系统被认为比在线调度更安全，这样做是为了在软件开发设计时就明确任务的最坏执行时间，保证实时系统中的任务执行是可控制与预期的。在一些关键领域，如自动驾驶、防抱死刹车系统等，离线调度比在线调度安全。/G
41、lobal datastruct int oilPressure;int oilTemperature;int waterPressure;int waterTemperature; engine_t;struct engine_t engine;semaphore engine_semaphore;./End global data1 TASK OilTempReader(void)2 int s;3while(1)4s=read_sensor();5 wait(engine_semaphore);6 engine.oilTemperature=s;7 signal(engine_semap
42、hore);8 waitForNextPeriod();图 2.2 共享变量的I/O任务汽车控制系统，除了是实时系统，还是嵌入式系统。考虑到成本问题，汽车中所用的电子控制单元都是运算处理速度有限、硬件资源有限的单片机。汽车上常用的ECU包括8位机（Intel MCS8048，MCS8049，MCS8032；Motorola的MC68HCII），16位机（Intel的MCS8097，Motorola的MC68HC12，MC68HC16），最近GM公司在Buick车上已采用32位机（Motorola 68332，它有512K ROM，14K RAM）。这就要求汽车控制系统必须具有最小资源消耗的特点
43、，具体表现为尽可能少的内存占用以及CPU的利用。2.2 汽车控制系统数据管理特性分析随着微电子硬件的价格大幅下降、硬件性能的显著提升和国家对汽车的安全、环保规范的日益严格使得汽车中所使用的电子控制单元日益增多，甚至已达到近百个，并且汽车功能的复杂性也大大增加了，这使得软件开发和维护日益困难。汽车控制系统所需处理的信息大约以每年7的速度在增长1。一些共享的数据元素被不同的应用程序单独处理，导致软件在开发和维护中出现了很多问题，对汽车的安全，舒适性造成了影响。不同的应用程序存取数据可能导致数据不一致或者数据不可用。因此需要一种统一的、高效的方式存储和管理数据，嵌入式实时数据库可以满足系统的实际要求
44、。针对汽车控制系统嵌入式实时的特性，汽车控制系统的数据管理，必须至少满足以下两点：（1）时间的可预见性：应该尽可能的一直在一定的时间内存取和操作数据。（2）资源消耗最小化：车辆控制系统中的数据管理机制应该尽可能的高效，体现在内存需求量和CPU使用率上。2.2.1 实时特点汽车控制系统需要根据外界环境的变化，而在系统规定的时间期限内完成相应的动作。因此，任务执行超期以后，任务所操作的数据就不是可信的，汽车控制系统中的数据也是具有时间限制的特点。围绕着数据的实时特点，有如下方面的研究：（1）从汽车的实际运行情况看，处理数据的任务或者事务在整个运行过程中都是周期性的。例如，从传感器读取数据的任务随着
45、系统的运行，不断的读取环境参数，传递给其它任务处理。一个控制子系统中含有数千个传感器，由很多个任务负责周期性的读取，但是这些任务的读取频率是不同的。同时又由于子系统的处理器是单核的，因此在同一时间内需要处理很多的任务，这就需要任务的调度。设计一个好的任务调度算法，使任务能在规定时间内完成。（2）从任务或事物的关键程度可以将其分为：硬实时事务，软实时事务。关键性的任务如果不能在规定时间内完成可能会造成系统崩溃；对于汽车来讲，硬实时任务执行超期，可能会造成交通事故。偶尔执行超期或失败的事务一般不会对系统造成致命影响，这类事务称为软实时事务。2.2.2 嵌入式特点目前汽车的制动等越来越多的由电子设备
46、所控制。并且自从嵌入式计算机被引入到汽车中，汽车功能迅速增加，软件的复杂性也迅速提升。汽车的这些特性大多是由微电子控制单元控制的。这些电子控制单元大多是由资源有限，计算能力很小的处理器组成。但是在最近十多年，随着硬件水平提高和成本下降的影响，它们的资源也有了大幅的提升，如表2.1所示：表 2.1 ECU硬件性能提升 类别 1994年 2008年控制单元个数 40 60频率 85 2000控制单元内存1.1MB+160KB19MB+1.25MB晶体管数据2100万3亿4千万总线带宽700k位/秒32M位/秒从上表可以看出，虽然电子控制单元的硬件性能有了大幅提升，但是电子控制单元本质上仍是资源有限，计算能力小的嵌入式设备。那么运行在电子控制单元上的软件也属于嵌入式软件软件。但若从嵌入式的角度看，汽车控制系统的软件要求代码在完成规定功能的基础上，代码规模尽量小，另外不同功能之间的切换的计算和存储开销也应该是可以控制的。2.3 AUTOSAR标准AUTOSAR（AUTomotive Open Systems ARchitecture）汽车开放系统架构，是由多家汽车整车厂商和供应商在2003年夏天成立的汽车电子软件开发全球合作联盟，其目的就在于降低汽车软件的复杂性和多样性，提高软件复用。目前AUTO-
