0. 系列概述

OSEK是由歐洲自動化協(xié)會對汽車電氣制定的開放式系統(tǒng)，全稱為OS-EK/VDX。

RTA-OS是基于OSEK OS的符合AUTOSAR規(guī)范的OS，是一種靜態(tài)可配置、搶占式、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），用于高性能、資源受限的應(yīng)用程序。

AUTOSAR OS主要包含Task, ISRs, Events, Resources, Application, Counter, Alarms, Schedule Table等OS對象。后續(xù)將對如上提到的八個對象進(jìn)行分別介紹，本篇介紹的內(nèi)容為Task，下面進(jìn)入正題：

1.Task概述

任務(wù)調(diào)度分為靜態(tài)調(diào)度及動態(tài)調(diào)度，二者區(qū)別為，靜態(tài)調(diào)度是在調(diào)度前就已經(jīng)配置好，而動態(tài)調(diào)度是根據(jù)負(fù)載率自動去調(diào)度的。在OSEK的OS系統(tǒng)中，Task是主要部分，RTOS里是靜態(tài)調(diào)度，在單個處理器上一次只運(yùn)行一個任務(wù)，不同任務(wù)之間通過調(diào)度表或者Alam進(jìn)行切換。

2. 基本概念

2.1 基礎(chǔ)任務(wù)與擴(kuò)展任務(wù)

當(dāng)前項(xiàng)目中基本使用的都是BASIC類型。

2.1.1 基礎(chǔ)任務(wù)

狀態(tài)：Running，Ready，Suspended。

基本任務(wù)開始、執(zhí)行和終止（這通常稱為單次任務(wù)模型）。只有當(dāng)基本任務(wù)終止或被更高優(yōu)先級的任務(wù)搶占時(shí)，它才會釋放處理器。這種行為使它們非常適合嵌入式控制功能。基本任務(wù)快速有效。

2.1.2 擴(kuò)展任務(wù)

擴(kuò)展任務(wù)啟動、執(zhí)行、等待事件（Wait event）和（可選）終止。擴(kuò)展任務(wù)在執(zhí)行期間自動掛起自身任務(wù)的能力為任務(wù)提供了一種具有同步點(diǎn)的方法。此功能使擴(kuò)展任務(wù)比基本任務(wù)更適合于需要中間執(zhí)行同步的功能。

擴(kuò)展任務(wù)時(shí)間響應(yīng)較快，但會一直占用Ram資源，相當(dāng)于以空間換時(shí)間。

2.2 任務(wù)狀態(tài)

任務(wù)的狀態(tài)包括：Ready、Running 、(Waiting) 、Suspended

所有任務(wù)默認(rèn)的狀態(tài)都是Suspended狀態(tài)，在被激活后才變成Ready狀態(tài)，當(dāng)該任務(wù)為系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級任務(wù)時(shí)即轉(zhuǎn)為Running狀態(tài)，并開始執(zhí)行任務(wù)，同時(shí)任務(wù)可能被更高優(yōu)先級的任務(wù)搶占，重新變成Ready狀態(tài)。

任務(wù)通過終止返回到掛起（Suspended）狀態(tài)。一項(xiàng)任務(wù)可以在以后再次準(zhǔn)備好，整個過程可以重復(fù)。

但是，擴(kuò)展任務(wù)也可以進(jìn)入Waiting狀態(tài)。當(dāng)擴(kuò)展任務(wù)通過等待事件自動掛起時(shí)，它將從Running狀態(tài)移動到Waiting狀態(tài)。

當(dāng)擴(kuò)展任務(wù)進(jìn)入Waiting狀態(tài)時(shí)，操作系統(tǒng)將分派準(zhǔn)備運(yùn)行的最高優(yōu)先級任務(wù)。設(shè)置事件后，任務(wù)將從Waiting狀態(tài)移動到Ready狀態(tài)。請注意，擴(kuò)展任務(wù)返回到Ready狀態(tài)，而不是Running狀態(tài)。這是因?yàn)椋跀U(kuò)展任務(wù)處于Waiting狀態(tài)期間，其他一些更高優(yōu)先級的任務(wù)可能已被激活，然后被調(diào)度。

Event只是用于為系統(tǒng)事件提供指示器的操作系統(tǒng)對象。事件示例包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好使用或正在讀取傳感器值。

激活Task的方式有：調(diào)用ActivateTask() API，或Alarm到期或調(diào)度表

2.3 任務(wù)優(yōu)先級

AUTOSAR-OS運(yùn)行任務(wù)可以享有同一優(yōu)先級，同一優(yōu)先級的任務(wù)以先進(jìn)先出FIFO(First In First Out)的原則從Ready狀態(tài)Release。

使用時(shí)需避免使用Share Priorities，實(shí)時(shí)性差，無法進(jìn)行調(diào)度可行性分析。

2.4 任務(wù)激活

2.4.1 隊(duì)列任務(wù)激活

在大多數(shù)情況下，僅需任務(wù)處于掛起狀態(tài)時(shí)激活它。事實(shí)上，AUTOSAR OS將處于就緒、運(yùn)行或等待狀態(tài)的任務(wù)激活視為錯誤情況。

但是，在某些情況下，可能需要實(shí)現(xiàn)一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須多次激活同一任務(wù)，但連續(xù)激活之間最短的時(shí)間可能小于運(yùn)行該任務(wù)所需的時(shí)間。例如，用戶可能正在任務(wù)中解包CAN總線幀，并且需要處理網(wǎng)絡(luò)上幀的瞬時(shí)突發(fā)，這意味著用戶需要在運(yùn)行時(shí)對任務(wù)激活進(jìn)行排隊(duì)。

AUTOSAR OS允許對基本任務(wù)的激活進(jìn)行排隊(duì)，以幫助構(gòu)建此類應(yīng)用程序。與AUTOSAR OS中的其他功能一樣，任務(wù)隊(duì)列的大小是靜態(tài)配置的。必須指定任務(wù)可以掛起的最大激活次數(shù)。如果超過激活的最大次數(shù)，激活將被忽略。

2.4.2 異步任務(wù)激活

AUTOSAR OS允許別的核激活當(dāng)前核的Task，而不是從任務(wù)實(shí)際運(yùn)行的核激活任務(wù)。雖然這可能很有用，但可能會影響性能.因?yàn)橐耆螦UTOSAR，所有任務(wù)激活（包括SetEvent）必須阻止調(diào)用方，直到任務(wù)狀態(tài)更新。在內(nèi)部，操作系統(tǒng)必須使用內(nèi)部自旋鎖來協(xié)調(diào)與所屬核的狀態(tài)更改。這會對所有核的性能產(chǎn)生重大影響。

2.5 任務(wù)調(diào)度

RTA-OS提供了一種根據(jù)提前固定好的不同優(yōu)先級的任務(wù)間切換執(zhí)行的調(diào)度方式。優(yōu)先級排序的原則一般為：執(zhí)行時(shí)間越短，執(zhí)行頻率越快的優(yōu)先級越高。但無論選擇如何分配優(yōu)先級，任務(wù)執(zhí)行的順序都由調(diào)度策略決定。調(diào)度策略確定任務(wù)實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間，AUTOSAR OS支持兩種調(diào)度策略：

2.5.1 搶占式調(diào)度

當(dāng)一個Task正在運(yùn)行，另一個更高優(yōu)先級的任務(wù)準(zhǔn)備運(yùn)行，此時(shí)高優(yōu)先級的任務(wù)會搶占執(zhí)行，這也被稱為任務(wù)切換，高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行完畢后，原來的task繼續(xù)執(zhí)行。

2.5.2 非搶占式調(diào)度

與搶占式調(diào)度不同的是，如果高優(yōu)先級任務(wù)準(zhǔn)備就緒，那么它將保持準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，直到運(yùn)行任務(wù)終止—它不會搶占。這意味著開始運(yùn)行的非搶占式任務(wù)將始終運(yùn)行到完成，然后終止。

2.5.3 協(xié)作式調(diào)度

此外，AUTOSAR OS提供了對第三種稱為協(xié)作調(diào)度的調(diào)度的支持，因?yàn)樗试S非搶占式任務(wù)告訴OS何時(shí)可以搶占。之所以說AUTOSAR OS支持兩種策略，是因?yàn)橹挥袃煞N配置—第三種配置必須自己構(gòu)建。

操作系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備運(yùn)行的最高優(yōu)先級任務(wù)。如果更高優(yōu)先級的任務(wù)準(zhǔn)備就緒，那么它將保持就緒，直到以下任一情況：

1） 正在運(yùn)行的任務(wù)終止（就像非搶占式調(diào)度一樣)；

2） 或者正在運(yùn)行的任務(wù)發(fā)出Schedule（）API調(diào)用，告訴操作系統(tǒng)它可以被搶占。

當(dāng)發(fā)出Schedule（）調(diào)用時(shí)，優(yōu)先級較高的任務(wù)會搶占正在運(yùn)行的任務(wù)，當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)完成后，搶占任務(wù)將恢復(fù)。這種合作模式提供的系統(tǒng)雖然不如完全搶占式系統(tǒng)響應(yīng)快，但不會出現(xiàn)非搶占式調(diào)度缺乏響應(yīng)的情況。

3. Task 配置

包括：name、Priority、Scheduling、Activation及Autostart

優(yōu)先級：0是最低優(yōu)先級，

調(diào)度：任務(wù)可以完全搶占或非搶占地運(yùn)行。一般來說，為了獲得最佳的應(yīng)用程序性能，應(yīng)該選擇完全搶占式調(diào)度而不是非搶占式調(diào)度。

激活：在Ready狀態(tài)下可以排隊(duì)的最大任務(wù)激活數(shù)。對于BCC1、ECC1和ECC2任務(wù)，激活次數(shù)始終為一次。這意味著這些類型的任務(wù)只有在處于掛起狀態(tài)時(shí)才能激活。在未掛起的情況下，嘗試激活此類任務(wù)將導(dǎo)致錯誤。大于1的值表示操作系統(tǒng)將對激活進(jìn)行排隊(duì)，任務(wù)結(jié)束時(shí)再次激活。

4. 堆棧管理

RTA-OS使用單棧模型，即所有的Task、ISRS在同一個堆棧區(qū)域上運(yùn)行。

當(dāng)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，其堆棧使用量會像正常情況一樣增減。當(dāng)任務(wù)被搶占時(shí)，高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧使用將在同一堆棧上繼續(xù)（就像標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)調(diào)用一樣）。當(dāng)任務(wù)終止時(shí)，它使用的堆棧空間將被回收，然后重新用于下一個優(yōu)先級最高的任務(wù)運(yùn)行（同樣，與標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)調(diào)用一樣）。下圖顯示了單堆棧在聲明、搶占和終止任務(wù)時(shí)的行為。

在單堆棧模型中，堆棧大小與系統(tǒng)中優(yōu)先級的數(shù)量成比例，而不是與任務(wù)/ISR的數(shù)量成比例。這意味著，直接或通過共享內(nèi)部資源，或通過被配置為非先發(fā)制人，共享優(yōu)先級的任務(wù)永遠(yuǎn)不會同時(shí)出現(xiàn)在堆棧上。在硬件上共享優(yōu)先級的ISR也是如此。這意味著用戶可以通過簡單的配置更改來交換系統(tǒng)響應(yīng)性，即任務(wù)或ISR完成所需的時(shí)間，以換取堆棧空間。

上圖顯示了同一任務(wù)集的執(zhí)行情況，具有與上上圖相同的到達(dá)模式，但這次任務(wù)是非搶占式調(diào)度的。可以看到，高優(yōu)先級任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間比搶占式調(diào)度時(shí)長得多，但總體堆棧消耗要低得多。

單堆棧模型還顯著簡化了鏈接時(shí)的堆棧空間分配，因?yàn)橛脩糁恍铻檎麄€系統(tǒng)堆棧分配單個內(nèi)存部分，就像根本不使用操作系統(tǒng)一樣。

4.1 擴(kuò)展任務(wù)的堆棧管理

RTA-OS獨(dú)特地?cái)U(kuò)展了單堆棧模型，在不影響基本任務(wù)性能的情況下為擴(kuò)展任務(wù)提供支持。在RTA-OS中，擴(kuò)展任務(wù)的生命周期如下：

Suspended→Ready：任務(wù)被添加到Ready 序列

Ready→Running：任務(wù)已調(diào)度，但與內(nèi)容位于堆棧頂部的基本任務(wù)不同，內(nèi)容位于堆棧空間中，所有低優(yōu)先級任務(wù)的預(yù)先計(jì)算的最壞情況搶占深度處。

Running→Ready：擴(kuò)展任務(wù)被搶占。如果搶占任務(wù)是一個基本任務(wù)，那么它會像往常一樣在堆棧頂部調(diào)度；如果搶占任務(wù)是一個擴(kuò)展任務(wù)，那么它將按照預(yù)先計(jì)算的所有低優(yōu)先級任務(wù)的最壞情況搶占深度進(jìn)行調(diào)度。

Running→Waiting：任務(wù)的等待事件堆棧內(nèi)容（包括操作系統(tǒng)上下文、本地?cái)?shù)據(jù)、函數(shù)調(diào)用的堆棧幀等）保存到內(nèi)部操作系統(tǒng)緩沖區(qū)中。

Waiting→Ready：任務(wù)添加到Ready 隊(duì)列。

Running→Suspended：任務(wù)的“等待事件堆棧”內(nèi)容將從內(nèi)部操作系統(tǒng)緩沖區(qū)復(fù)制回堆棧中所有低優(yōu)先級任務(wù)預(yù)先計(jì)算的最壞情況搶占深度。

擴(kuò)展任務(wù)管理要求RTA-OS知道任務(wù)和ISR使用了多少堆棧。以下各節(jié)描述了各種配置參數(shù)。

4.2 處理堆棧溢出

如果用戶提供給RTA-OS的堆棧分配太小（運(yùn)行時(shí)錯誤的潛在來源），有三種錯誤情況可能發(fā)生：

1.當(dāng)RTA-OS嘗試調(diào)度擴(kuò)展任務(wù)時(shí)，堆棧指針的當(dāng)前值高于計(jì)算的最壞情況調(diào)度點(diǎn)，因此擴(kuò)展任務(wù)無法啟動。這意味著堆棧上的一個（或多個）低優(yōu)先級任務(wù)占用了太多空間。

2.擴(kuò)展任務(wù)無法從等待狀態(tài)恢復(fù)，因?yàn)槎褩Ｖ羔樃哂谒鼞?yīng)該的值。當(dāng)為擴(kuò)展任務(wù)正在等待的事件調(diào)用SetEvent（）并且擴(kuò)展任務(wù)現(xiàn)在是系統(tǒng)中優(yōu)先級最高的任務(wù)時(shí)，可能會發(fā)生這種情況。

3.擴(kuò)展任務(wù)無法進(jìn)入等待狀態(tài)，因?yàn)槿蝿?wù)正在使用的堆棧的當(dāng)前數(shù)量大于配置的“WaitEvent（）堆棧”的大小。

當(dāng)RTA-OS檢測到擴(kuò)展任務(wù)堆棧管理出現(xiàn)問題時(shí)，它將調(diào)用ShutdownOS（），錯誤代碼為E_OS_STACKFAULT。如果要調(diào)試該問題，則可以啟用堆棧故障Hook。配置后，RTA-OS將在堆棧故障發(fā)生時(shí)調(diào)用用戶提供的回調(diào)OS_Cbk_StackOverflowHook（），而不是ShutdownOS（）。回調(diào)傳遞了兩個參數(shù)：溢出的字節(jié)數(shù)、溢出的原因。

5. 任務(wù)的控制

5.1 任務(wù)激活

任務(wù)激活后變?yōu)镽eady狀態(tài)，當(dāng)該任務(wù)的優(yōu)先級為所有Ready狀態(tài)的任務(wù)及當(dāng)前處于Running的任務(wù)中最高時(shí)，開始（或搶占）變成Running狀態(tài)。

任務(wù)每次被激活后會運(yùn)行一次，當(dāng)激活的次數(shù)超過配置次數(shù)時(shí)會報(bào)E_OS_LIMIT錯誤。

任務(wù)可以通過Tasks或二類中斷激活。

5.1.1 直接激活

可以通過多種不同的方式激活任務(wù)。任務(wù)激活的基本機(jī)制是ActivateTask（）API調(diào)用，它直接激活任務(wù)。ActivateTask（TaskID）調(diào)用將命名任務(wù)置于就緒狀態(tài)。ChainTask（TaskID）終止當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)，并將激活指定任務(wù)置于就緒狀態(tài)。

#include  


TASK(Task1)  {


  /*  Task1  functionality.  */


  ActivateTask(Task2);


  TerminateTask();


}


TASK(Task2)  {


  /*  Task2  functionality.  */


  ActivateTask(Task3);


  TerminateTask();


}


TASK(Task3)  {


  /*  Task3  functionality.  */


  TerminateTask();


}

5.1.2 間接激活

通過Alarm激活或通過調(diào)度表激活。

通過Alarm激活：對于系統(tǒng)中的每個Alarm，可以指定一個任務(wù)，該任務(wù)在每次Alarm過期時(shí)激活。

調(diào)度表激活：對于系統(tǒng)中的每個調(diào)度表，可以指定在表上的一個或多個到期點(diǎn)激活的任務(wù)。

5.2 任務(wù)執(zhí)行順序控制

許多情況下，需要控制任務(wù)執(zhí)行的順序，即某個任務(wù)的執(zhí)行需要基于前一個任務(wù)執(zhí)行的結(jié)果。時(shí)序的控制可以通過如下三種方式：

?直接激活鏈；

?優(yōu)先級；

?不可搶占的任務(wù)。

5.2.1 通過直接激活鏈

當(dāng)使用直接激活鏈控制執(zhí)行順序時(shí)，任務(wù)對必須在發(fā)出調(diào)用的任務(wù)之后執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行ActivateTask（）調(diào)用。

5.2.2 通過任務(wù)優(yōu)先級

將需要優(yōu)先執(zhí)行的任務(wù)設(shè)置更高的優(yōu)先級，在執(zhí)行時(shí)即可按搶占式完成。

5.3 RTA-OS中的合作式調(diào)度

當(dāng)任務(wù)以非搶占方式運(yùn)行時(shí)，它會阻止任何任務(wù)（包括優(yōu)先級較高的任務(wù)）執(zhí)行。然而，有時(shí)對于非搶占式任務(wù)來說，提供可以進(jìn)行重新調(diào)度的明確位置是很有用的。這比簡單地非搶占式運(yùn)行更有效，因?yàn)楦邇?yōu)先級任務(wù)對系統(tǒng)刺激的響應(yīng)時(shí)間更短。任務(wù)以非搶占方式運(yùn)行并為重新調(diào)度提供點(diǎn)數(shù)

的系統(tǒng)稱為合作調(diào)度系統(tǒng)。

5.4 任務(wù)終止

在AUTOSAR操作系統(tǒng)中終止的任務(wù)必須進(jìn)行API調(diào)用，以告知操作系統(tǒng)正在發(fā)生這種情況。AUTOSAR OS標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個用于任務(wù)終止的API調(diào)用。其中之一必須用于終止任何任務(wù)。這些API調(diào)用是：

? TerminateTask()

? ChainTask(TaskID)

當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，它必須進(jìn)行其中一個API調(diào)用。這確保RTA-OS可以正確地安排準(zhǔn)備運(yùn)行的下一個任務(wù)。

TerminateTask（）強(qiáng)制調(diào)用任務(wù)進(jìn)入掛起狀態(tài)。RTA-OS將在Ready狀態(tài)下運(yùn)行下一個優(yōu)先級最高的任務(wù)。

ChainTask（TaskID）終止調(diào)用任務(wù)并激活任務(wù)TaskID。因此，該API類似于執(zhí)行TerminateTask（），然后立即執(zhí)行ActivateTask（TaskID）。鏈接任務(wù)會將命名任務(wù)置于就緒狀態(tài)。

5.5 任務(wù)的Idle機(jī)制

在任何搶占式OS中，當(dāng)沒有Task或中斷運(yùn)行時(shí)也必須要有些事情做。在AUTOSAR OS中是通過Idle 機(jī)制實(shí)現(xiàn)。在RTA-OS中當(dāng)沒有Task或中斷執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)將處于繁忙的等待循環(huán)中。

用戶可以通過聲明一個名為Os_Cbk_idle的回調(diào)函數(shù)來提供自己的空閑機(jī)制實(shí)現(xiàn)方式，從而覆蓋默認(rèn)行為。

Os_Cbk_idle的行為較普通Task外有如下不同：

. 不能被激活

. 不能被終止

. 不能被鏈（嵌套）調(diào)用

. 不能使用內(nèi)部資源

Os_Cbk_Idle的優(yōu)先級最低，即當(dāng)沒有任何及中斷運(yùn)行時(shí)才會Ready to Run。

Os_Cbk_Idle在退出時(shí)返回一個布爾值，告訴RTA-Os是否再次調(diào)用Os_Cbk_Idle。當(dāng)返回TRUE時(shí)，RTA-OS將立即再次調(diào)用Os_Cbk_Idle。當(dāng)返回FALSE時(shí)，RTA-OS停止調(diào)用Os_Cbk_Idle并進(jìn)入繁忙等待循環(huán)的默認(rèn)行為。

審核編輯 ：李倩