©2011TOPPERSProject TOPPERS:嵌入式开源OS〜AUTOSAR规格开源OS 的开发状况〜 曾刚 名古屋大学工学部/信息科学研究科讲师 Email:sogo@ertl.jp 内容提要 TOPPERS技术介绍 –TOPPERS概要–主要开发成果及应用实例–TOPPERS专用许可证 AUTOSAR规格开源OS的开发状况 –AUTOSAR简介–新一代车载RTOS的开发状况–AUTOSAR存在的问题点–TOPPERS的解决策略–车载RTOS测试套件的开发 TOPPERS的发展规划 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.2 TOPPERS技术介绍 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.3 关于TOPPERS 以基于ITRON的研究开发成果为基础，开发各种高质量的开放源代码的嵌入式系统基础软件。
同时，提供相关的应用技术。
目标成为在嵌入式领域中类似Linux地位的OS 协会的推进主体 –由产业界/学术界/政府的团体和个人组成的项目型团体–2003年9月注册为非营利组织（NPO） 协会创始人 –TOPPERS协会会长：名古屋大学高田广章教授–名古屋大学嵌入式系统研究中心（NCES）创始人，主任 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.4 参考：ITRON规格是什么？ TRON(TheReal-timeOperatingsystemNucleus) –TRON项目（坂村健，东京大学教授）制定的嵌入式系统的实时操作系统的标准规格 •1984年开始•1999年发表µITRON4.0规格书•2010年作为ITRON规格的标准化团体的TRON协会解散 任何人都可以按照此公开规格开发自己的内核 –按照ITRON规格开发的内核不一定是开源的 从1990年代后半起，日本开发的嵌入式系统的30%采用了符合ITRON标准的内核（日本经济产业部和TRON协会的调查结果）ITRON系统是世界上应用最多的操作系统之
一 [source:LinuxNews,Applications:TheMostPopularOperatingSystemintheWorld-ByJanKrikke] Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.5 TOPPERS协会的组织和会员 会长，副会长，理事管理委员（22名） 総会 理事会 運営委員会 監事 事務局 事務局長 TOPPERS年会実行委員会展示会運営委員会 团体正会员：104
(1) 開発者会議実行委員会 –集中了主要的芯片厂商、汽车厂商、电子电器厂商、嵌入式开发平台厂商和电控仪器设备厂商。
瑞萨、东芝、松下、夏普、NEC、丰田、日产、本田、电装、富士通、Altera、Xlinx等都是它的成员。
教育WG组件规格WG中国普及WG 个人正会员：10
(1) 准会员（个人）：68 韓国普及WG 特别会员：30
(5)–团体：22
(3)；个人：8
(2)------------------------------------- 英語化WG 根据需要灵活地设置WG 合计：212（2011/5/22）*()中为TOPPERS在中国的会员数 嵌入式系统联谊会华中科技大学 Copyright©2011TOPPERSProject 湖南大学 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.6 TOPPERS协会的目标 开发终极版的ITRON规格实时操作系统现已基本完成 –减少基于ITRON开发的“过剩投资”和“过多的多样性” 研究新一代的实时操作系统技术 –充分满足嵌入式系统的需求，继承ITRON技术的优秀特征，进行新一代嵌入式操作系统技术的研究开发 绝不等同于重复开发第二个Linux！ –通过开放源代码的理念，有效地集合产业界、学术界、政府等各类团体以及个人的智慧和力量 研究嵌入式系统的开发技术及开发工具 –提升嵌入式系统开发的质量和效率 推动嵌入式系统开发人才的培养 –利用开放式源代码软件的优势，通过提供教材，进行各种形式的普及教育，为嵌入式系统开发人才的培养做出贡献 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.7 TOPPERS与嵌入式系统平台 TOPPERS的任务之一就是开发嵌入式系统平台 ！TOPPERS的第二个“P”就是Platform（平台） 但是TOPPERS并不开发面向各个领域的系统平台
，而是提供构建各应用系统平台所需的组件 –作为特例，TOPPERS直接参与开发汽车控制系统基础软件平台 TOPPERS也开发将各种部件组合在一起构建系统平台的技术 –TECS：面向嵌入式系统的组件系统 积累了众多可以直接应用于产业界的高质量的设计资产 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.8 TOPPERS的主要开发成果<第一代内核> TOPPERS/JSP内核最早的开发成果 –符合µITRON4.0规格的标准功能要求的实时内核 TOPPERS/FI4内核信息处理推进机构 –实现了µITRON4.0规格规定的所有功能的实时内核 TOPPERS/FDMP内核信息处理推进机构 –面向功能分散型多核系统的实时内核 TOPPERS/HRP内核与JAXA共同开发 –面向高可靠性系统，具有内存保护等功能的实时内核–由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）进行了验证 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.9 TOPPERS的主要开发成果<新一代内核> TOPPERS/ASP内核新一代内核的起点 –相对于JSP内核，从可靠性/安全性/软件可移植性等方面进行了多种扩张和改良 –其扩张软件包可支持对象的动态生成 TOPPERS/FMP –以ASP内核为基础针对多核系统进行了扩张 TOPPERS新一代内核的综合规格 –基于µITRON4.0，为满足近10年来的新的需求而改良/扩张的内核规格 –正在制定过程中，已经完成了ASP，FMP和HRP2内核的规格定义 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.10 TOPPERS的主要开发成果<中间件> TINET经济产业部地方联合体 –符合ITRONTCP/IPAPI规格的紧凑型IP协议栈。
支持IPv4和IPv6 FatFsforTOPPERS –支持FAT12/16/32的文件系统 CAN/LIN中间件包经济产业部地方联合体 –支持CAN和LIN的通信中间件 RLL（RemoteLinkLoader）信息处理推进机构DLM（DynamicLoadingManager） –上述两个都是实现动态调用的中间件，但所使用的实现方式不同 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.11 TOPPERS的主要开发成果 TECS（TOPPERS嵌入式组件系统：TOPPERSEmbeddedComponentSystem） –将各软件模块封装为组件，通过将必要的组件结合在一起，快速构建大规模嵌入式软件的技术（规格和工具） SafeG –在单一处理器上，使通用OS和实时OS同时安全运行的双OS虚拟化技术 TLV（TraceLogVisualizer） –实时OS的执行履历的可视化工具 TOPPERSBuilder –采用Eclipse/CDT的基于TOPPERS内核的应用综合开发环境–提供能在BootableLinux上运行的BootableCD-ROM TTSP（TOPPERS软件测试套件包：TOPPERSTestSuitePackage） –TOPPERS新一代内核的测试套件–包括独自的测试脚本语言，以及由脚本自动生成测试程序的软件工具 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.12 TOPPERS的主要开发成果<教材> 初级开发讲座教材提供中英文版本 –通过动手实践，学习在RTOS上进行嵌入式软件开发的基础 中级开发讲座教材 提供中文版本 –学习网络编程及系统设计手法 基础1开发讲座教材 –学习小规模嵌入式系统的开发和RTOS的基础 基础2开发讲座教材 –RTOS的讲解和内核调用的开发体验 其他的教育材料 –TOPPERS版压水车，TOPPERS两足行走机器人教材 –面向嵌入式工程人员的TECS教育教材 –面向ET机器人大赛的TOPPERS培训教材 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.13 TOPPERSOS开发成果应用事例 消费电子产品 945SH（SHARP） PM-A970(EPSON) 最初采用FMP内核的产品 DO!
KARAOKE（PANASONIC） IPSiOGXe3300(Ricoh) Copyright©2011TOPPERSProject GT-541(Brother) 2011成都中国汽车电子国际论坛 UA-101(Roland) Page.14 TOPPERSOS开发成果应用事例 工业产品及其它应用 在车身控制中采用了TOPPERS/ATK1和CAN/LIN中间件 DP-350(Daihen) Kizashi(SUZUKI) H-IIB（JAXA)ASTRO-H(JAXA)AP-X(Kyowa （开发中） （开发中） MEDIX) Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 OSP-P200(Okuma) Page.15 TOPPERS的许可证 TOPPERS开发的软件使用独自的软件许可证 基本出发点 –考虑到嵌入式系统的具体情况，提供相对于GNUGPL、BSD等更为开放的许可证条件 –通过宣传TOPPERS开发成果的实际使用事例，以获得进一步开发所需要的资金。
为此，希望得到TOPPERS成果在什么领域被如何使用的信息 许可证的内容 –TOPPERS软件的派生物没有必要作为开放源代码公开，也可以进行销售以获取商业利益 –在嵌入式设备中使用本软件时，仅需要向TOPPERS协会报告即可（报告义务） －－Reportware－－ Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.16 AUTOSAR规格开源OS的开发状况 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.17 当前车载嵌入式系统所面临的挑战 复杂的系统设计 –增加的开发成本和开发周期–高可靠性，安全性的要求 大规模复杂化的软件 –怎样取得高可靠性，安全性–怎样有效利用以前的软件资产 ECU的大量使用 –成本增加–设置空间不足 复杂的车载网络结构 –增加的设计复杂度 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 http://www.lexus.jp/ LEXUSLS-460¾超过100个ECUs¾7百万行软件代码 Page.18 基于标准平台的解决方案 常规的基于组件的开发 –首先（独立）开发ECU •由汽车零部件供应商开发ECU的硬件和软件 –然后通过集成各零部件厂商开发的ECU来完成整车设计 基于标准平台的开发 –首先应该开发标准平台（Platform(PF)） •PF=HardwarePF+SoftwarePF+Network•SoftwarePF=OS+middleware –然后在平台之上开发应用 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.19 AUTOSAR简介 AUTOSAR(AUTomotiveOpenSystemArchitecture) 2003年由汽车生产，汽车零部件，电子，半导体软件企业结成的全球协作组织 –致力于降低软件的复杂性，制定汽车基础软件平台的工业标准 核心成员（2010年为止） BMW Daimler PSAPeugeotCitroen Bosch Ford Toyota ContinentalGM Volkswagen 2006年春开始发行最早的规格系列 2010年春发行最新的规格4.0 –包括大约100个标准规格和大约80个相关文档 2010年开始进入第三阶段 Copyright
©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.20 AUTOSAR软件平台方法 系统由一系列的软件组件构成，它们之间通过虚拟功能总线相连通过使用配置工具，将系统映射到不同的ECUs,并通过车载网络将这些ECUs相连ECU和系统的制约作为输入提供给工具软件平台包括runtime环境（RTE）和基础软件（BSW） Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.21 AUTOSAR软件平台结构 Runtime环境Run-TimeEnvironment(RTE) –提供软件组件之间的接口，以及软件组件和基础软件之间的接口 –为软件组件提供基础软件服务(API抽象层) 通过软件组件之间，以及软件组件与基础软件之间通信接口的描述，由工具产生RTE的源代码 AUTOSAR平台最大的特征 基础软件BasicSoftware(BSW) –OS–中间件–设备驱动 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.22 AUTOSAR软件平台结构 基础软件(BSW)结构 –4个功能组(system,memory,munication,I/O)按3层组织(service,ECUabstraction,microcontrollerabstraction) –合成驱动(作为层与层之间的捷径) Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.23 日本车载软件标准化推进团体JasPar JapanAutomotiveSoftwarePlatformArchitecture –成立于2004年，以日本汽车制造企业为核心的车载软件标准化推进团体 –致力于开发车载控制系统中的网络，中间件和软件平台技术 主要成员 ▶丰田汽车 ▶本田 ▶电装 ▶日产 ▶丰田通商电子 其他成员 –包括汽车制造公司，汽车零部件公司,半导体公司,和软件公司等约100个成员 主要活动 –FlexRay相关标准化活动(5Mbps和2.5MbpsFlexRay的使用方法，规格试验等) –基于AUTOSAR标准的软件平台开发 –ISO26262汽车安全规格的对应 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.24 TOPPERS第一代车载系统RTOS及中间件 TOPPERS/ATK1内核（第一代车载软件内核） –最早版本2004年11月开始公开–符合汽车控制系统领域的国际标准OSEK/VDX规格的实 时内核–通过MODISTARC验证（下载后可直接用于产品）–符合MISRA-C语言设计规约–已在铃木多款汽车上应用 CAN/LIN中间件包 –支持CAN和LIN的通信中间件 TOPPERSFlexRay中间件包 –2006年面向会员公开–由时间触发模块，通信功能，网络管理功能构成 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.25 TOPPERS新一代车载系统RTOS的开发状况 开发目标 –制定基于AUTOSAROS规格的新一代车载嵌入式系统RTOS规格，并在此基础上开发RTOS –预定以TOPPERS/ATK2的名称，在2012年作为TOPPERS成果公开源码 基础研究阶段（2008年~2010年） –以名古屋大学嵌入式系统研究中心（NCES）为基地，通过与丰田汽车公司的合作，进行了设计研究，编码，测试以及性能评价。
•实现了AUTOSAROS规格的SC1,SC2,SC3•对AUTOSAROS规格进行了针对多核的独自的扩展 设计实现阶段（2011年~） –以NCES为中心，通过联合体（consortium）共同研究的形式继续开发 –TOPPERS在AUTOSAROS多核实现技术上处于世界领先水平 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.26 新一代车载系统RTOS开发联合体 项目的定位 –通过吸引众多企业参加名古屋大学嵌入式系统研究中心(NCES)设定的研究开发课题，以联合体共同研究形式来推进研究和开发 –培养高级研究开发人才的重要环节之
一 参加企业（2011年5月为止，按50音顺） -WITZ -日本电器通信系统 -OTSL -Panasonic先进技术 -SunnyGikenInc. -富士软件 -电装 -富士通VLSI -东芝 -瑞萨电子 -丰田汽车 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.27 新一代车载系统RTOS开发联合体 研究开发内容 –制定基于AUTOSAROS规格的新一代车载嵌入式系统RTOS规格 –根据制定的规格设计实现RTOS并进行评价–开发验证套件 研究开发体制 –相关企业有12名技术人员常驻NCES参与开发–名古屋大学有8名老师和研究员参加 研究开发期间 –第一阶段从2011年4月到2012年3月–根据进展和成果以决定是否继续 研究开发成果 –除了验证套件仅对会员开放之外，其它研究开发成果将开放源代码 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.28 AUTOSAROS规格的问题点 开销大 –如果完全实现了规格中定义的全部功能，程序大小和执行时开销都非常大 未定义内存保护的配置方法 –与内存保护相关的配置方法没有作出规定 多核扩展不完善 –AUTOSAR4.0规格的多核扩展难以满足实时性的要求 规格书难以理解 –AUTOSAROS规格书采用与OSEK/VDXOS规格的差分方式撰写，需要同时了解两个规格，理解起来比较困难 其它的一些细节问题 –与实际应用不适宜的一些问题 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.29 AUTOSAROS规格问题点的解决方法 开销大 –按照保护功能不同要求水准追加保护功能规格的子集 •与有效性相比，开销很大的功能作为可选功能•比如非信赖OS应用的ISR2 –为了减轻RTOS的开销，规定并导入了相关硬件功能 •比如硬件支持的多核间互斥控制功能 未定义内存保护的配置方法 –追加了独自的规定 •采用TOPPERS项目已开发的相关技术 多核扩展不完善 –制定了独自的能满足实时性要求的多核扩展规格（TOPPERS在AUTOSAR4.0多核版本公开发布之前既已开展该项研究） –采用了TOPPERS项目已开发的相关技术 规格书难以理解 –独自作成将OSEK/VDXOS规格和AUTOSAROS规格统一记述的规格书 其它的一些细节问题 –针对细节问题逐个检讨并解决之 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.30 ATK2测试套件的开发 API测试流程 TestSheetCreation TESRYDataCreation TestsheetTestfileReview TestProgramGeneration(AKTG) TestProgramExecution ExecutionPathConfirmation TestSheet(文本文件) API规格 测试用例 测试脚本 源代码确认条件抽取 覆盖率确认 TTETESESRSRYRYYDデデaーtーaタタ TestProgram・test.c・test.h・test.cfg 如果由每一位测试人员根据测试脚本手动生成测试程序，则很难保证测试方法的一致性，并且工作量也很大。
Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 执行覆盖率文件 Page.31 TOPPERS发展规划 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.32 TOPPERSforSmartFuture TOPPERS的发展方向 –重视与TOPPERS关联的各种商业发展机会 •为了使基于开源软件的商业模式更容易成功，并不追求一切都要开源 –国际推广和普及 •重视亚洲地区的推广和普及，设立中国普及WG和韩国普及WG 今后的工作重心 –新一代实时内核技术：追求高可靠性・安全性・实时性！ •TOPPERS新一代内核（ITRON规范的发展）•新一代车载系统RTOS（以OSEK/VDX,AUTOSAR规格为基础） –嵌入式软件组件化技术 •TECS（TOPPERSEmbeddedComponentSystem） –嵌入式系统平台及开发工具 •各种中间件和虚拟化技术•开发工具（仿真器，视觉化工具） –嵌入式技术人员培训教材的开发 •培养嵌入式平台技术人员•向ET机器人大赛提供RTOS，中间件和教材 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.33 TOPPERS新一代内核的路线图 大规模·复杂化 最新一般公开 已经发布 TECS 支持组件系统 已经发布 FMP 支持多核系统 对象动态生成 新一代内核集大成版 高性能·省能耗 节能控制 ASP 新一代内核规格StandardProfile 近期内面向会员早期提供 HRP2 内存保护，时间保护 信耐性·安全性 ASPSafety 功能安全 面向会员早期提供 最小功能内核 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.34 欢迎使用TOPPERS成果并参与TOPPERS工程 –TOPPERS重视在亚洲地区的推广和普及–TOPPERS重视使用TOPPERS成果所开展的商业活动–欢迎下载和使用TOPPERS的各种开发成果–欢迎加入TOPPERS协会，以推动TOPPERS工程的进一步发展–TOPPERS在中国开展的有关活动敬请访问TOPPERS中文网站 …HighQualityOpenSource 面向工业控制的新标准 TOPPERS协会致力于为嵌入式系统领域提供高质量的开源软件以及教育资源，为嵌入式系统开发提出新的标准 日文pers.jp/ 中文/ Copyright©2011TOPPERSProject 2011成都中国汽车电子国际论坛 Page.35