基于AUTOSAR規(guī)范的操作系統(tǒng)知識(shí)

汽車電子控制器中目前基本遵循AUTOSAR規(guī)范，而其中操作系統(tǒng)作為BSW的重頭戲，始終讓學(xué)習(xí)AUTOSAR的同學(xué)望而生畏，進(jìn)而望而卻步。所以，今天整理下基于AUTOSAR規(guī)范的操作系統(tǒng)知識(shí)，方便大家學(xué)習(xí)，以供參考。

0 為什么需要OS？

現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)紛繁復(fù)雜，這點(diǎn)毋庸置疑，但是為什么需要操作系統(tǒng)呢？有沒有仔細(xì)思考過。其實(shí)在早期的嵌入式系統(tǒng)中，是沒有操作系統(tǒng)概念的。相信做嵌入式開發(fā)的同學(xué)都能理解，在main()函數(shù)中，寫個(gè)while循環(huán)，再加個(gè)定時(shí)器，按照分時(shí)間片的方式，定時(shí)執(zhí)行代碼，就可以完成簡(jiǎn)單的調(diào)度。

但是，現(xiàn)在不一樣了，系統(tǒng)越來越復(fù)雜了，以前那種簡(jiǎn)單粗暴的調(diào)度已經(jīng)無法滿足要求。說到系統(tǒng)復(fù)雜，主要原因有如下幾點(diǎn)：

• 任務(wù)多樣化；
• 周期復(fù)雜化；
• 分層調(diào)用嵌套；
• 多核系統(tǒng)引入；

舉個(gè)例子。比如，我們有個(gè)三核系統(tǒng)，其中core0負(fù)責(zé)應(yīng)用功能ASW，core1負(fù)責(zé)基礎(chǔ)功能BSW，core2負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控、功能安全和診斷等。如何在功能運(yùn)行時(shí)，滿足其正常任務(wù)的調(diào)度，同時(shí)系統(tǒng)代碼指令和監(jiān)控等也同步呢？在main()函數(shù)里，我們通過循環(huán)語句加定時(shí)器再試試看，估計(jì)要“難于上青天”了吧。

所以，就需要一個(gè)叫做操作系統(tǒng)的東西出現(xiàn)。它管理任務(wù)和事件的調(diào)度、不同任務(wù)之間的數(shù)據(jù)流，并提供監(jiān)視和錯(cuò)誤處理功能。操作系統(tǒng)為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供所有基本服務(wù)，包括中斷處理、調(diào)度、系統(tǒng)時(shí)間和時(shí)鐘同步、本地消息處理，以及錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。

1 AUTOSAR OS特點(diǎn)

操作系統(tǒng)可以根據(jù)它們的特征被分成不同的組，比如靜態(tài)配置和動(dòng)態(tài)管理。要對(duì)AUTOSAR操作系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱AUTOSAR OS)進(jìn)行分類，以下是其基本特征：

• 靜態(tài)配置
• 推斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能
• 提供基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略
• 運(yùn)行時(shí)提供保護(hù)功能(內(nèi)存、定時(shí)等)
• 無需外部資源，可嵌入低端控制器

所以，Autosar OS 和常見的OS(如linux系統(tǒng)OS)具有以下的區(qū)別：

• 在運(yùn)行時(shí)不會(huì)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建新任務(wù)；
• 屬于預(yù)編譯配置變體，必須在編譯之前定義所有任務(wù)；
• 操作系統(tǒng)沒有動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理，也沒有用于手動(dòng)控制任務(wù)的shell。

在AUTOSAR OS提出之前，在汽車電子領(lǐng)域其操作系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即non-OSEK OS和OSEK OS。

當(dāng)然，現(xiàn)在處于的第三個(gè)階段Autosar OS，是與OSEK兼容的操作系統(tǒng)，但是具有多個(gè)擴(kuò)展性能。例如可擴(kuò)展功能：調(diào)度表，OS applications，內(nèi)存保護(hù)和時(shí)序保護(hù)。OSEK OS 特別提供了以下特性支持AUTOSAR：

• 基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度
• 處理中斷的功能
• 中斷高于任務(wù)的優(yōu)先級(jí)
• 防止錯(cuò)誤使用OS 服務(wù)的保護(hù)措施
• StartOS和StartupHook 啟動(dòng)接口
• ShutdownOS和ShutdownHook 關(guān)閉接口

具體的OS的可擴(kuò)展級(jí)別分四級(jí)：

2 AUTOSAR OS的對(duì)象

Autosar OS提供基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，具有可搶占屬性和同步的機(jī)制，通過事件和資源的屬性來實(shí)現(xiàn)。AutosarOS提供以下對(duì)象進(jìn)行多任務(wù)執(zhí)行的管理，如 Alarms，Applications，Application modes，Counters，Events，ISRs，Register Sets，Resources，Schedule tables，Spinlocks，Tasks。 這些對(duì)象及其配置是AUTOSAR OS的重點(diǎn)內(nèi)容，后續(xù)我們會(huì)分別詳細(xì)解釋，這里簡(jiǎn)單介紹。

Alarms ：警報(bào)器，就像我們的上課鈴聲，到時(shí)間就會(huì)響。操作系統(tǒng)用它來做一些定時(shí)的事，比如激活一個(gè)任務(wù)Task。

Applications ：從字面意思理解，它是一個(gè)應(yīng)用，準(zhǔn)確地說，它應(yīng)該是一個(gè)分區(qū)。它部署到某個(gè)Core上，主要的作用就是管理放到其中的對(duì)象。為什么要這個(gè)東西呢？舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦印?a target="_blank">MCU像一個(gè)國(guó)家，核就是它的省，那么Applications就可以理解成省管轄下的地級(jí)市。比如，某一天一個(gè)地級(jí)市里發(fā)現(xiàn)了大量新冠病毒感染者，為了防止擴(kuò)散，將該市封閉處理，以免擴(kuò)張到其他市區(qū)。想想看，當(dāng)這個(gè)市里出現(xiàn)疫情時(shí)，是封閉整個(gè)省好呢，還是僅封閉該市好呢？顯然是后者。芯片里的劃區(qū)也是非常合理的。AUTOSAR OS 分區(qū)分為可信的和非可信的。

Application modes ：用的極少，這里不展開介紹；

Counters ：把Counter比作心臟比較合適，對(duì)于芯片來說，它就是晶振。在操作系統(tǒng)它的作用就是計(jì)時(shí)或者計(jì)數(shù)，一般Counter與芯片的Timer結(jié)合起來，Counter的精度決定了操作系統(tǒng)能計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確度。

Events： 事件。在嵌入式操作系統(tǒng)中，事件一般是和任務(wù)綁定一起來實(shí)現(xiàn)調(diào)度功能的，當(dāng)然也可以由Alarms來觸發(fā)。比如，我通過設(shè)定某個(gè)任務(wù)在10ms進(jìn)程執(zhí)行，10ms的任務(wù)就和該事件一起來實(shí)現(xiàn)。

ISRs： interrupt service routine，就是我們講的中斷。中斷的概念對(duì)于嵌入式開發(fā)的同學(xué)而言，應(yīng)該都比較熟悉。在AUTOSAR OS中中斷有兩種類型，Autosar OS中將中斷分為Cat1 和Cat2，即所謂的1類中斷和2類中斷，所謂的2類中斷其實(shí)就是完全被OS接管的中斷，這類中斷的上下文切換，堆棧管理全部由OS管理；而1類中斷則不被OS接管，因此它的上下文由自己管理。另外Autosar Os中要求Cat1的中斷的最低優(yōu)先級(jí)高于Cat2的最高優(yōu)先級(jí)，也就是說Cat1的中斷優(yōu)先級(jí)更高。所以Cat1的中斷一般用于時(shí)間要求更緊急的場(chǎng)合。要知道，中斷有比任何任務(wù)都高的優(yōu)先級(jí)，即中斷可以搶占任務(wù)。

Register Sets： 幾乎沒有使用，暫時(shí)不介紹。

**Resources：**資源。嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部的資源是用來強(qiáng)制任務(wù)分組運(yùn)行的，在分組內(nèi)部，是沒有搶占一說的，即共享資源。當(dāng)然，中斷就不能使用內(nèi)部分組資源了。共享什么資源呢？比如棧的共用，為了降低系統(tǒng)的負(fù)荷，我們可以讓同分組的任務(wù)共用分配的棧資源，你用完我用，像和諧社會(huì)一般。

**Schedule tables：**調(diào)度表，可以將其理解為包含了很多調(diào)度點(diǎn)的表，Autosar Os中一般這么用調(diào)度表，比如有 1ms，2ms，5ms 三個(gè)周期需要調(diào)度的任務(wù)，那么會(huì)根據(jù)公約數(shù)，生成一個(gè)表，這個(gè)表在1ms 處調(diào)度1ms任務(wù)，2ms處調(diào)度1ms和2ms任務(wù)，4ms處調(diào)度1ms和2ms任務(wù)，5ms處調(diào)度1ms和5ms任務(wù)，10ms處調(diào)度1ms，2ms，5ms任務(wù)，然后按照這樣的關(guān)系循環(huán)，這就是所謂的調(diào)度表。目前有部分主流的Autosar開發(fā)商使用這種方式進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度。當(dāng)然，Schedule Table有自己的狀態(tài)機(jī)，Schedule Table調(diào)度方式最大的好處在于保持調(diào)度的同步性。

Spinlocks： 沒有項(xiàng)目使用，暫不介紹。

**Tasks：**任務(wù)應(yīng)該也比較熟悉，Autosar Os有些自己的性質(zhì)，簡(jiǎn)單介紹下。

Task 類型：

• Basic Task：包含狀態(tài)Ready，Running，Suspend
• Extend Task：包含狀態(tài)Ready，Running，Suspend和Waiting

所謂的擴(kuò)展task，就是多了一個(gè)Waiting狀態(tài)，因此它一般就是等待一個(gè)Event的到來。

此外Task的調(diào)度分為搶占式和協(xié)作式，對(duì)于可搶占的Task，OS會(huì)根據(jù)Task的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序調(diào)度，優(yōu)先級(jí)高的可以搶占優(yōu)先級(jí)低的。在AUTOSAT OS中數(shù)字越大優(yōu)先級(jí)越高。

當(dāng)然，操作系統(tǒng)還有內(nèi)存保護(hù)，時(shí)序保護(hù)和錯(cuò)誤機(jī)制等內(nèi)容，今天概覽性地介紹這些，后續(xù)有機(jī)會(huì)再分別詳細(xì)闡述。