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

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内容提要TOPPERS技术介绍
– TOPPERS概要
概要– 主要开发成果及应用实例– TOPPERS专用许可证专用许可证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
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Page.2TOPPERS技术介绍

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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类似Linux地位的地位的OSOS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
名古屋大学嵌入式系统研究中心（NCES）创始人 主任
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参考：ITRON规格是什么？

TRON (The Real-time Operating system Nucleus )– 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
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 公开规格开发自 的内核
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
从年代后半起，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: Linux News, Applications: The Most Popular Operating System in the World - By Jan Krikke]
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Page.5TOPPERS协会的组织和会员
会长，副会长，理事

理事会

総会
監事

管理委员（22名）

運営委員会
TOPPERS年会実行委員会

事務局
事務局長

展示会運営委員会
開発者会議実行委員会

团体正会员：104 (1)– 集中了主要的芯片厂商、汽车厂商、电子电器厂商、商 嵌入式开发平台嵌发 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
产本电装 富 通、Xlinx等都是它的成员。

中国普及WG

个人正会员：10 (1)

韓国普及WG

教育WG
教育组件规格WG

准会员（个人）：68
特别会员：30 (5)英語化WG– 团体：22 (3)；个人：8 (2)根据需要灵活地设置WG------------------------------------合计合计：212（2011/5/22）（/ / ）
嵌入式系统联谊会
*()中为TOPPERS在中国的会员数
华中科技大学
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湖南大学

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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 LinuxLinux！
！
– 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
通 开放源代码的 念 有效 集合产 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

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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）的第 个
就台但是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 © 2011 TOPPERS Project

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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 © 2011 TOPPERS Project2011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 代内核的综合规格
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

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TOPPERS的主要开发成果<中间件>

TINET 经济产业部 地方联合体– 符合ITRON TCP/IP API规格的紧凑型IP协议栈。支持IPv4 和IPv6

FatFs for TOPPERS– 支持FAT12/16/32的文件系统

CAN/LIN中间件包/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（RemoteRLL（Rt Li
Linkk Loader）
L d ） 信息处理推进机构DLM（Dynamic Loading Manager）
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– 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

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TOPPERS的主要开发成果<TECS, SafeG,工具>TECS（TOPPERS嵌入式组件系统：TOPPERS EmbeddedComponent System）– 将各软件模块封装为组件，通过将必要的组件结合在一起，快速构建将各软件模块封装为组件 通过将必要的组件结合在 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实时 的执行履历的可视化 具

TOPPERS Builder– 采用Eclipse/CDT的基于TOPPERS内核的应用综合开发环境– 提供能在Bootable Linux上运行的Bootable CD-ROM

TTSP（TOPPERS软件测试套件包：TOPPERS Test SuitePackage）– 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
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
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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

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TOPPERS OS 开发成果应用事例消费电子产品

945SH（SHARP）
最初采用FMP
内核的产品

PM-A970 (EPSON)IPSiO GX e3300(Ricoh)
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DO!KARAOKE（PANASONIC）

GT-541 (Brother)

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UA-101 (Roland)
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TOPPERS OS 开发成果应用事例工业产品及其它应用DP-350((Daihen))

在车身控制中采用
了TOPPERS/ATK1
和CAN/LIN 中间件Kizashi (SUZUKI)H IIB（JAXA)H-IIB（JAXA)
（开发中）

AP-X
X (Kyowa
ASTRO-H (JAXA) AP
MEDIX)（开发中）

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2011成都 中国汽车电子国际论坛OSP P200
OSP-P200(Okuma)
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TOPPERS的许可证

TOPPERS开发的软件使用独自的软件许可证
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GNU GPL、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
在嵌入式设备中使用本软件时，仅需要向协会报告即可（报告义务）－－Reportware－－
Reportware－－－－Copyright © 2011 TOPPERS Project

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AUTOSAR规格开源OS的开发状况

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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
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–怎样有效利用以前的软件资产

http://www.lexus.jp/LEXUS LS-460¾ 超过100个ECUs¾ 7百万行软件代码

ECU的大量使用
成本增加–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
http://www.renesas.com
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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
首先 独开发
• 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（首先应该开发标准平台（ Platform (PF) ）• PF = Hardware PF + Software PF + Network• Software PF = OS + middleware–然后在平台之上开发应用

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AUTOSAR 简介AUTOSAR (AUTomotive Open System Architecture)
2003年由汽车生产，汽车零部件，电子，半导体零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业标准

核心成员（2010年为止）
BMW
Bosch
Continental

Daimler
D i lFordGM

PSA P
Peugeott Cit
CitroenToyotaVolkswageng

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
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 © 2011 TOPPERS Project2011成都 中国汽车电子国际论坛

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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）

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AUTOSAR 软件平台结构Runtime环境 Run-Time Environment (RTE)–提供软件组件之间的接口，以及软件组件和基础软件
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)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 的描述 由 具产生
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 Basic Software((BSW))– OS–中间件–设备驱动设备驱动

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AUTOSAR 软件平台结构基础软件 (BSW) 结构–4个功能组 (system, memory, communication, I/O) 按3层组织 (service, ECU abstraction, microcontroller abstraction)–合成驱动 (作为层与层之间的捷径)

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Page.23日本车载软件标准化推进团体 JasPar

Japan Automotive Software Platform Architecture–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▶日产▶ 本田▶ 丰田通商电子

▶ 电装

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 动主要活动–FlexRay相关标准化活动(5Mbps和2.5Mbps FlexRay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 © 2011 TOPPERS Project2011成都 中国汽车电子国际论坛

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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

TOPPERS FlexRay中间件包– 2006年面向会员公开
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

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TOPPERS新一代车载系统RTOS的开发状况开发目标– 制定基于AUTOSAR OS 规格的新一代车载嵌入式系统
RTOS规格 并在此基础上开发RTOSRTOS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AUTOSAR OS 规格的 SC1, SC2, SC3
对• 对AUTOSAR
OS 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
以NCES为中心 通过联合体（consortium）共同研究
的形式继续开发–TOPPERS在AUTOSAR OS多核实现技术上处于世界领先
水平Copyright © 2011 TOPPERS Project2011成都 中国汽车电子国际论坛

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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通过吸引众多
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- OTSL- Sunny Giken Inc.
- 电装- 东芝- 丰田汽车
Copyright © 2011 TOPPERS Project- 日本电器通信系统
- Panasonic 先进技术- 富士软件-富富士通VLSI通- 瑞萨电子2011成都 中国汽车电子国际论坛

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新一代车载系统RTOS开发联合体研究开发内容– 制定基于AUTOSAR OS 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
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AUTOSAR OS 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
与内存保护相关的 置方法 有作出规定

多核扩展不完善– AUTOSAR 4.0 规格的多核扩展难以满足实时性的要求规格书难以理解– AUTOSAR OS规格书采用与OSEK/VDX OS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与实际应用不适宜的一些问题些问题Copyright © 2011 TOPPERS Project

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AUTOSAR OS 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与有效性相开销很大的功能作为可 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4 0多核版本公开发布之前既已开展该项研究）
AUTOSAR 4.0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/VDX
独自作成将/OS规格和AUTOSAR规格和OS规格统一记述的规规格统 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 © 2011 TOPPERS Project2011成都 中国汽车电子国际论坛

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ATK2测试套件的开发API测试流程Test
Sheet
Creation

Test Sheet(文本文件)TESRY
Data
Creation

Test sheet
Test file
ReviewTESRY
Data
TESRYデータTESRYデータAPI 规格

Test
T
ProgramGeneration(AKTG)

Test Program・test.c・test.h・test.cfg

TestProgram
Execution

Execution
Path
Confirmation执行覆盖率文件测试用例测试脚本源代码确认条件抽取覆盖率确认Copyright © 2011 TOPPERS Project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
并且工作量也很大。

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Page.31TOPPERS发展规划

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TOPPERS for Smart Future

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,代车载系统（以/, AUTOSAR规格为基础）规格为基础）• 新– 嵌入式软件组件化技术

• TECS（TOPPERS Embedded Component System）– 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

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TOPPERS新一代内核的路线图
最新一般公开大规模·复杂化
TECS
已经发布

新一代内核集大成版

对象动态生成支持组件系统

高性能·省能耗FMP已经发布节能控制支持多核系统

HRP2

ASP内存保护，时间保护

新一代内核规格
Standard Profile

近期内面向会员
早期提供

信耐性·安全性

ASP Safety
功能安全面向会员
早期提供

最小功能内核2007

2008

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2011

2012

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–TOPPERS在中国开展的有关活动敬请访问TOPPERS中文网站… High Quality Open Source

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 http://www.toppers.jp/
中文 http://www.toppers.jp/cn/
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