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E-Book

Automotive Embedded Systeme

Effizfientes Framework - Vom Design zur Implementierung

Autor	Joachim Wietzke, Manh Tien Tran
Verlag	Springer-Verlag
Erscheinungsjahr	2006
Seitenanzahl	445 Seiten
ISBN	9783540283058
Format	PDF
Kopierschutz	DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	22,99 EUR

Die Entwicklung hochkomplexer automotiver Infotainmentsysteme bestehend aus einer Headunit und weiteren Komponenten wie Audio- und Videoelementen, Kommunikationseinheiten, Navigationssystemen und Sensorik erfordert solides Domänenwissen und umfassendes Know-how im Software-Engineering.

Das vorliegende Buch gibt eine fundierte Darstellung der softwareseitigen Implementierung dieser Komponenten innerhalb eines komplexen Frameworks.

Im ersten Teil des Buches werden wichtige Grundlagen zu Eingebetteten Systemen und den für diese Systeme charakteristischen Methoden des Software-Engineerings vermittelt. Insbesondere werden dabei die Themen Speichermanagement und Systemperformance sowie grundlegende Mechanismen von Betriebssystemen betrachtet.

Im zweiten Teil wird eine konkrete, objektorientierte Implementierung eines Frameworks dargestellt. Diese Implementierung zeigt die Umsetzung besonders effizienter Sychronisations- und Kommunikationsprozesse innerhalb einer kompakten und hochperformanten Systemarchitektur.

Herr Professor Wietzke leitet den Bereich Technische Informatik an der FH Darmstadt mit dem Schwerpunkt Eingebettete Systeme. Zuvor hat er in der Industrie bei Bosch, Blaupunkt und Harman/Becker verantwortlich im Bereich Radio/Navigationssysteme gearbeitet.

Die Infotainment-Systeme, die sich im Maybach, im Audi A8, im Porsche, im BMW 5er und 7er, in der E-Klasse und einigen anderen Luxus-Limousinen befinden, enthalten seine Navigationssysteme.

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Leseprobe

4 Betriebssysteme

In frühen Embedded Systemen war kein Betriebssystem notwendig. Das Gerät basierte auf einer einfachen Hauptschleife, die nacheinander Bedienelemente abfragte und entsprechende Gerätefunktionen ansteuerte. Wegen zunehmender Funktionalitäten, sich ändernder Hardware-Plattformen und wegen der hohen Anforderungen an gefühlte Bedienbarkeit kam man bereits früh zur Notwendigkeit von Betriebssystemen, die eine scheinbare Parallelität erlaubten, so dass nun, wenn z.B. in einer Applikation auf eine Tastatureingabe gewartet wird, eine andere inzwischen weiterarbeiten kann. Betriebssysteme organisieren die

• quasi parallele Abarbeitung verschiedener Prozesse oder Threads;
• sie verwalten Hardware- und Software-Ressourcen;
• sie kapseln und abstrahieren Hardware-Funktionen und Schnittstellen;
• sie stellen zum Teil standardisierte Services zur Verfügung, wie z.B. Speicherverwaltung, Kommunikations-Schnittstellen, Lader, Fehlerroutinen, Synchronisations- und Kommunikationsmethoden. Im Zusammenhang mit der Framework-Diskussion im automotiven Umfeld sind gleichzeitig einige Betriebssysteme in der Diskussion. Diese Verknüpfung ist zunächst einmal unglücksselig, da die Begriffe Framework und Betriebssystem eigentlich verschiedene Schichten betreffen. Durch das Paket WinCE, das Betriebssystem und Framework fast untrennbar verbindet, kommt es zur Vermischung der Begriffe. Auch ein GUI-Builder (Graphical User Interface) wie Photon für QNX vermischt Framework und OS-Schichten.

Trotzdem sollten die weitgehend üblichen Betriebssysteme erwähnt werden.

Es sind:
VxWorks, das sehr erprobt und geeignet in der kleinen Multithread- Umgebung ist, für das es aber noch nicht viel Erfahrung in Multiprozess-Systemen gibt. In ähnlicher Weise ist I-Tron einzuordnen, das sehr häufig in japanischen Systemen eingesetzt wird.

Mit mächtigeren Prozessoren wie dem SH4 von Hitachi und dem Power- PC von Motorola und anderen kommen die Möglichkeit und die Forderung nach Multiprozess-OS auf. Hier greift im Moment QNX, dessen Entwicklungsumgebung (Momentics) allerdings speziell bei großen Projekten viele Schwächen haben. Die Stärken von QNX sind die Echtzeitorientierung und die POSIX-Konformität. WinCE kommt immer wieder in die Diskussion mit der Vorstellung eines Standards, genauso oft stellt sich aber auch heraus, dass die Verquickung von Framework und Betriebssystem bei WinCE von den Entwicklern nicht geliebt wird. Auch sind die Einschränkungen im Framework noch so groß, dass am Ende im Wesentlichen nur der OS-Teil genutzt und ein eigenes Framework drumherum implementiert wird. Dafür ist es dann aber zu aufwändig und teuer.

Die richtige Design-Entscheidung scheint deshalb hier zu sein, sich vom OS zu abstrahieren und mehrere Betriebssysteme zu unterstützen. Die vorgestellten Implementierungen werden deshalb in der Regel auf VxWorks, QNX und Windows lauffähig sein, dies zwingt auch wieder dazu, sich nicht zu sehr auf Spezialitäten nur eines Betriebssystems einzulassen. In späteren Kapiteln wird gezeigt, wie Programme wahlweise unter QNX, Windows und Linux laufen können, solange man sich bei der Auswahl der Betriebssystem-Mittel beschränkt. Deshalb werden wir hier auf Betriebssysteme nicht weiter eingehen, nur drei notwendige Begriffe kurz erläutern und später in den Implementierungsbeispielen von Betriebssystem-Funktionalität

Inhaltsverzeichnis

Vorwort	6
Inhaltsverzeichnis	8
Die Listings	16
Abbildungsverzeichnis	22
1 Einleitung	25
Teil I Bausteine eines Embedded Frameworks	29
2 Ein Infotainment-System	31
2.1 Die Headunit	32
2.1 Die Headunit	32
2.2 Geräte/Devices im System	33
2.3 Begriffsklärung: Was ist ein Framework	34
2.4 Fokus unserer Framework-Betrachtungen	35
3 Anforderungen an ein Embedded Automotive Framework	37
3.1 Verteilte Entwicklung	37
3.2 MVC, Organisationen	37
3.3 Speicheranforderungen	39
3.4 Startzeiten	39
3.5 Menüwechselzeiten	40
3.6 Konfiguration versus Dynamik	40
3.7 Datenfluss/Kontrollfluss/Zustandssteuerung	40
4 Betriebssysteme	41
4.1 Prozesse, Tasks, Threads	42
4.2 Der Scheduler	43
4.2.1 Präemptive Prioritätssteuerung	43
4.2.2 Round-Robin	43
4.2.3 Prioritäts-Inversion, Prioritäts-Vererbung	43
4.2.4 Task-Switch, Kontextwechsel	44
4.3 Zusammenspiel mit der MMU	44
5 Design-Rules und Konventionen	45
5.1 Namenskonventionen	46
5.2 Shared-Verzeichnisse, Libraries	46
5.3 Eigene Definitionen im Shared	46
5.3.1 Standard-Typen	46
5.3.2 Alignment	47
5.3.3 Little-Endian, Big-Endian	48
5.3.4 Zahlengrenzen	49
5.3.5 Const Definitionen	49
5.3.6 Eigene Assertions	50
5.3.7 Exceptions und Signale	51
5.3.8 Eigene Ausgaben	51
6 Speicherverwaltung	53
6.1 Statische Speicherverwaltung	55
6.2 Dynamische Speicherverwaltung	55
6.3 Start-Up-Strategien	57
6.4 Speicherbedarf und kleine Pittfalls	57
6.4.1 Welche Variable wo?	57
6.4.2 Alternative Strategie 1: Späte Konstruktion	60
6.4.3 Alternative Strategie 2: Späte Initialisierung	62
6.4.4 Alternative Strategie 3: Lokale statische Variablen	63
6.4.5 Speicherort von Konstanten	64
6.4.6 Speicherbedarf eines einfachen Objekts	67
6.4.7 Speicherbedarf eines einfachen Objekts mit virtueller Methode	68
6.4.8 Speicherbedarf eines Objekts einer abgeleiteten einfachen Klasse	70
6.4.9 Speicherbedarf eines Objekts einer abgeleiteten Klasse mit virtueller Methode	72
6.4.10 Speicherbedarf eines Objekts einer abgeleiteten Klasse mit virtueller Basis-Methode	74
6.4.11 Mehrfachvererbung und Pittfall	76
6.4.12 Speicherbedarf dynamischer Variablen	79
6.4.13 Schlechte Parameterübergabe	80
6.4.14 Probleme mit dem Kopierkonstruktor	81
6.4.15 Probleme mit dem Zuweisungsoperator	81
6.4.16 Schlechte Rückgaben	81
6.4.17 Padding-Probleme	83
6.4.18 Alignment-Probleme, Endian-Probleme	84
6.4.19 Speicherfragmentierung	84
6.4.20 Vektoren, STL	85
7 Embedded Speicherkonzepte, spezielle Muster	87
7.1 Statische Variablen	87
7.1.1 Reihenfolge der Konstruktoren	87
7.2 Quasi-statische Allokation aus festem Pufferspeicher	90
7.2.1 Anlegen eines statischen Puffers	91
7.2.2 Placement-new	91
7.2.3 Makros zur Allokation	92
7.3 Allokator	94
7.3.1 Statische Allokation	97
7.3.2 Dynamische Allokation mit temporärem Heap	99
7.3.3 Object-Pool-Allokation	102
7.4 Datencontainer	106
7.5 Gemeinsam benutzte Objekte (Shared-Objects)	106
7.6 Referenzzähler (reference counting)	107
7.7 Garbage-Collection	109
7.8 Die Captain-Oates Strategie	109
7.9 Speicherlimit	110
7.10 Partieller Fehler (Partial Failure)	111
7.11 Fazit	111
8 Prozesse und POSIX-Threads	113
8.1 Prozesse	114
8.1.1 Der Lebenszyklus eines Prozesses	114
8.1.2 Prozesszustände	115
8.1.3 Zombies	116
8.1.4 Bestandteile	116
8.1.5 Prozess mit fork erzeugen	117
8.1.6 Prozess mit exec erzeugen	118
8.1.7 Prozess mit spawn erzeugen	120
8.1.8 Prozessvererbung	121
8.1.9 Prozessattribute	121
8.1.10 Über Prozessgrenzen hinweg	122
8.2 Threads	123
8.2.1 Erzeugung von POSIX-Threads	123
8.2.2 Allgemeine Gestaltung eines Threads in eingebetteten Anwendungen	124
8.2.3 Thread-Attribute	125
8.2.4 Über Threadgrenzen hinweg	128
8.2.5 Thread-spezifische Daten	130
8.2.6 Thread-Träger und Thread-Objekte	132
8.3 Designentscheidung	142
9 Inter-Prozess-Kommunikationskanäle, IPC	145
9.1 Pipe	145
9.2 FIFO, Named-Pipe	149
9.3 Socket, local	149
9.4 Socket-Verbindung zwischen Prozessoren	151
9.5 Message-Queues	158
9.5.1 System V Message-Queues	158
9.5.2 POSIX Message-Queues	158
9.6 QNX-Message	161
9.7 Shared-Memory	161
9.8 Shared-Memory gegen Überschreiben sch utzen	168
9.9 Zeitverhalten	173
9.10 Designentscheidung und prinzipielle Implementierung	174
10 Gemeinsame Nutzung von Code	175
10.1 DLLs	175
10.2 Shared-Code	175
10.3 Designentscheidung und prinzipielle Implementierung	176
11 Synchronisierungsmechanismen für Prozesse und Threads	177
11.1 Semaphore	177
11.2 Unbenannter Semaphor	181
11.3 Benannter Semaphor	184
11.4 Mutex, rekursiver Mutex	185
11.5 Mutex-Guard	191
11.6 Signale	192
11.7 Bedingungsvariablen (Condition Variables)	192
11.8 Zeitverhalten	201
11.9 Deadlock, Livelock und Prioritätsinversion	201
11.10 Zusammenfassung	206
12 Kommunikation per Events	207
12.1 Wichtige Event-Typen	208
12.1.1 Signal-Events	208
12.1.2 Events mit Cookies	209
12.1.3 Call-Events	209
12.1.4 Timer-Events	209
12.1.5 Change-Events (Notifikation - Das Hollywood-Prinzip)	210
12.2 Realisierungen von Events	210
12.2.1 Einfache Events	210
12.2.2 C-Strukturen	211
12.2.3 Funktionszeiger	213
12.2.4 Event-Klassen und Objekte	214
12.2.5 Zeiger auf Event-Objekte verschicken	216
12.2.6 Events am Beispiel von MOST	219
12.3 Designentscheidung und prinzipielle Implementierung	220
13 Event-Verarbeitung	221
13.1 Queues	221
13.1.1 Externe Queue	223
13.1.2 Interne Queue	228
13.1.3 System-Queue	229
13.1.4 Queue mit verbesserter Inversions-Eigenschaft	229
13.2 Dispatcher	235
13.2.1 Der System-Dispatcher	235
13.2.2 Der lokale Dispatcher	236
13.2.3 Signalisation im Dispatcher	237
13.2.4 Registrierung im Dispatcher	237
13.3 Synchrone Events	238
14 Zustandsautomaten	239
14.1 Motivation	239
14.2 Kommunikation	240
14.3 Automaten	241
14.4 Statechart-Elemente	241
14.5 Probleme mit Statecharts und Ersatzl osungen	245
14.6 Implementierung dynamischen Verhaltens	247
14.6.1 Definition der Events	248
14.6.2 Implementierung der Aktionen	249
14.7 Implementierung der Statecharts	250
14.7.1 Implementierung durch Aufzählung für Zustände und Unterzustände	250
14.7.2 Zustandsmuster (State-Pattern)	255
14.7.3 Verbesserte Aufzählungsmethode	264
14.8 Implementierung nach Samek	270
15 Externer Kommunikationskanal: MOST-Bus	277
15.1 Der synchrone Kanal	278
15.2 Der asynchrone Kanal	279
15.3 Der Kontrollkanal	279
15.4 Geräte/Devices im Framework	279
15.4.1 Logische Geräte, Modelle	281
15.4.2 Methoden	282
15.4.3 Properties	282
15.4.4 MOST-Adressierung	283
15.4.5 Adressierungsbeispiele	289
15.4.6 MOST-Events, prinzipielle Dekodierung des Headers	290
15.4.7 MOST-Events, prinzipielle Dekodierung der Daten	292
15.4.8 MOST-Konstanten	293
15.4.9 MOST-Probleme	295
Teil II Das Framework	298
16 Das Framework	299
17 OS-Grundmechanismen	301
18 Komponentenarchitektur	303
18.1 Event-Handler und Event-Formate	305
18.2 Implementierung von Schnittstellen, Proxy und Handler	309
18.3 Komponentenarchitektur	311
18.3.1 Komponentenkontext und Daten im Shared-Memory	312
18.3.2 Erzeugung der Kontexte	319
18.3.3 Main-/Admin-Task	324
18.3.4 Signale, Mechanismen über den Kontext	326
18.3.5 Komponenten-Dispatcher	332
18.3.6 Softtimer und Timer-Manager	334
18.3.7 Registrierung	342
18.3.8 Die Basisklasse AComponentBase und das Zusammenspiel mit der Umgebung	343
18.4 Zusammenfassung	351
19 Main-Dispatcher-Komponente	355
19.1 Dispatcher-Receiver	355
19.2 Dispatcher-Main-Thread	360
20 Modell-Komponenten, logische Geräte	365
20.1 Aufgaben des logischen Geräts	366
20.2 Was erwartet die HMI von einem logischen Gerät?	367
20.3 Zustände des Geräts	369
20.4 Gültigkeit der Daten	370
20.5 Kommunikationsanforderung	371
20.6 Struktur eines logischen Geräts	371
20.7 Datencontainer versus Event-Prinzip	371
20.8 Architektur eines Datencontainers	373
20.8.1 Struktur des Datencontainers	374
20.8.2 Lesezugriffe der HMI	380
20.8.3 Versenden eines HMI-Befehls	381
20.8.4 Menge der erlaubten High-Level-Aktionen	382
20.8.5 Abstrakte Klasse ADataContainerAccessor	383
20.9 MOST-Codec	387
20.9.1 Vorbereitung	387
20.9.2 Einfache Implementierung eines MOST-Decoders	391
20.9.3 Objektorientierter Ansatz	394
20.9.4 Objekte zur Kompilierzeit	396
20.9.5 Konstante Objekte zur Dekodierung der MOST-Nachrichten	398
20.10 Zusammenfassung	411
21 HMI-Komponente	413
22 Persistenz-Controller und On/Off-Konzepte	415
23 Codegenerierung	419
23.1 Erstellen der XML-Eingabe-Dateien	419
23.2 Erzeugen des Quellcodes	421
23.3 Übersicht der erzeugten Dateien	422
23.4 Übersetzen des Quellcodes	428
24 Sonstige Aspekte	429
24.1 Internes non-MOST-Device, Beispiel Mediaplayer	429
24.2 Internes MOST-Device, Beispiel Tastatur	429
24.3 Treiber im Framework	430
24.4 Einfaches Debugging-Konzept	430
24.5 Überlastverhalten des Systems	432
24.6 Anmerkungen zur Komplexität und zum Testing	433
25 Anhang	435
25.1 Timer und Zeitmessung	436
25.1.2 Timeout	438
25.2 Socket	438
25.2.1 InetAddr	438
25.2.2 CSockAcceptor	439
25.2.3 CSockConnector	442
25.2.4 CSockStream	444
25.3 Keyboard	446
25.4 Shared-Memory	448
25.5 CBinarySemaphore	456
25.6 Extern const	463
Literatur	465
Index	467

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