詳解AUTOSAR-OS的調(diào)度機(jī)制

在AUTOSAR中，調(diào)度表是用于描述任務(wù)的執(zhí)行順序和時(shí)間間隔的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Alarm是一種定時(shí)器，用于在指定的時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間間隔觸發(fā)事件。當(dāng)Alarm與調(diào)度表結(jié)合使用時(shí)，調(diào)度表可以保障Alarm的同步。

3. 調(diào)度表是如何用的

3.1.操作系統(tǒng)允許并發(fā)處理多個(gè)調(diào)度表

一個(gè)調(diào)度表只能被一個(gè)計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)，而一個(gè)計(jì)數(shù)器能驅(qū)動(dòng)多個(gè)調(diào)度表；

驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的一個(gè)Tick與調(diào)度表的一個(gè)Tick的分辨率一致；操作系統(tǒng)使用一個(gè)迭代器遍歷調(diào)度表上的所有終結(jié)點(diǎn)，按照offset的大小從初始終結(jié)點(diǎn)(InitialExpiryPoint)開始遍歷，直到最后一個(gè)終結(jié)點(diǎn)IFinaIExpiryPoint)為止。在處理終結(jié)點(diǎn)上的操作時(shí)，操作系統(tǒng)必須先激活完所有的任務(wù)后，才能設(shè)置事件。由于在一個(gè)終結(jié)點(diǎn)上很有可能對(duì)一個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行激活和設(shè)置事件的操作，如果先激活一個(gè)處于掛起態(tài)的任務(wù)，再對(duì)它設(shè)置事件，操作會(huì)成功執(zhí)行，而如果順序相反則會(huì)導(dǎo)致操作失敗。因此，操作系統(tǒng)對(duì)終結(jié)點(diǎn)上操作的處理順序進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。

3.2. 調(diào)度表根據(jù)具體需求可配置為單次執(zhí)行或重復(fù)執(zhí)行

單次執(zhí)行是調(diào)度表處理完最后一個(gè)終結(jié)點(diǎn)后進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，不再繼續(xù)執(zhí)行，主要用于對(duì)某個(gè)觸發(fā)進(jìn)行響應(yīng)：循環(huán)執(zhí)行是調(diào)度表處理完最后一個(gè)終結(jié)點(diǎn)后再返回到第一個(gè)終結(jié)點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行，主要用于執(zhí)行重復(fù)操作的特定應(yīng)用。

重復(fù)執(zhí)行，由于調(diào)度表的持續(xù)時(shí)間不一定等于驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的模數(shù)，因此不能保證同一個(gè)終結(jié)點(diǎn)在不同次執(zhí)行時(shí)都在同一個(gè)絕對(duì)計(jì)數(shù)值上執(zhí)行，而在某些情況下這是必需的，例如校正發(fā)動(dòng)機(jī)的角旋轉(zhuǎn)度數(shù)，故需要同步機(jī)制來解決。

一個(gè)未使用同步策略的調(diào)度表在任意時(shí)刻總是處于下述三個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)，詳細(xì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型如下圖所示。在任何時(shí)刻，都可以使用系統(tǒng)服務(wù)GetScheduleTableStatus0來獲取調(diào)度表的狀態(tài)。對(duì)于未使用同步策略的調(diào)度表來說，調(diào)度表的持續(xù)時(shí)間和驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的模數(shù)沒有潛在的關(guān)聯(lián)，但各終結(jié)點(diǎn)的偏移和延遲需要按照公式3-1、3-2、3-3設(shè)置。

3.3. 調(diào)度表有兩種類型的啟動(dòng)方式

絕對(duì)啟動(dòng) StartScheduleTableAbs()和相對(duì)啟動(dòng)StartScheduleTableRel0。調(diào)度表在被啟動(dòng)后，將進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。

絕對(duì)啟動(dòng)是提供一個(gè)啟動(dòng)值(Start)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與Start匹配時(shí)，操作系統(tǒng)將啟動(dòng)調(diào)度表，該調(diào)度表的第一個(gè)終結(jié)點(diǎn)將在驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值等于(Start+Initial Offset)時(shí)被處理。

相對(duì)啟動(dòng)是提供一個(gè)偏移(Offset)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相對(duì)于現(xiàn)在(Now)增加了Offset個(gè)Tick后，操作系統(tǒng)將啟動(dòng)調(diào)度表，該調(diào)度表上的第一個(gè)終結(jié)點(diǎn)將在驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與(Now +Offset+lnitial Offset)匹配時(shí)會(huì)被處理。

用戶能在任意時(shí)刻調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)StopScheduleTable()立即終止一個(gè)正在處于運(yùn)行態(tài)的調(diào)度表，被終止后，調(diào)度表將進(jìn)入停止態(tài)。無論調(diào)度表被終止時(shí)處理到了哪個(gè)終結(jié)點(diǎn)，下次啟動(dòng)時(shí)都將會(huì)從第一個(gè)終結(jié)點(diǎn)開始處理。此外，調(diào)度表在正常運(yùn)行結(jié)束后，也會(huì)進(jìn)入停止態(tài)。

當(dāng)用戶調(diào)用NextScheduleTable0發(fā)出切換調(diào)度表的請(qǐng)求時(shí)，操作系統(tǒng)將繼續(xù)處理當(dāng)前調(diào)度表，把被切換入的調(diào)度表的狀態(tài)修改為下一個(gè)，直至處理完當(dāng)前調(diào)度表的最后一個(gè)終結(jié)點(diǎn)后，才會(huì)去啟動(dòng)被切換入的調(diào)度表。

4. 調(diào)度表的同步

處理調(diào)度表上的初始終結(jié)點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)間是用戶可控的。然后，如果調(diào)度表的運(yùn)行模式是重復(fù)執(zhí)行，將不能保證每次執(zhí)行初始終結(jié)點(diǎn)的時(shí)間是一樣的。

該問題的產(chǎn)生，可能是由于調(diào)度表的持續(xù)時(shí)間不一定等于驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的模數(shù)導(dǎo)致的。

舉例：注：驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器通常是用于驅(qū)動(dòng)整個(gè)調(diào)度表的計(jì)數(shù)器。它的作用是根據(jù)預(yù)定的時(shí)間間隔來觸發(fā)調(diào)度表中各個(gè)任務(wù)的執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)的協(xié)調(diào)和調(diào)度。

假設(shè)調(diào)度表中有三個(gè)任務(wù)，任務(wù)A、任務(wù)B和任務(wù)C，它們的執(zhí)行時(shí)間分別為2秒、3秒和4秒，也就是如果想要完整的執(zhí)行三個(gè)任務(wù)需要9秒的時(shí)間。然而驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的模數(shù)為5秒，即當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到5秒時(shí)會(huì)重新從0開始計(jì)數(shù)。也就是說任務(wù)C一直處于不執(zhí)行的狀態(tài)。

5. AUTOSAR 操作系統(tǒng)規(guī)范提供了 2 種同步方式

隱式同步：

在隱式同步的情況下，調(diào)度表的更新和OS模塊的調(diào)度是隱式地同步的。即當(dāng)調(diào)度表中的任務(wù)時(shí)間到達(dá)時(shí)，OS模塊不會(huì)立即調(diào)度該任務(wù)，而是等待下一個(gè)系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)再調(diào)度該任務(wù)。因此，在隱式同步的情況下，任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間可能存在一定的誤差，并且無法保證任務(wù)的正確執(zhí)行順序和時(shí)間間隔。

對(duì)于隱式同步而言，調(diào)度表的驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器就是同步計(jì)數(shù)器，即調(diào)度表上的時(shí)間和驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器上的時(shí)間保持一致。

隱式同步的調(diào)度表不需要操作系統(tǒng)的額外支持，但為了使調(diào)度表上的時(shí)間和驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值一致，做了一些限制：調(diào)度表的持續(xù)時(shí)間必須等于驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的模數(shù)。如公式3-4所示：

也就是隱式同步的操作系統(tǒng)模塊的調(diào)度表（ScheduleTable）（每個(gè)調(diào)度表都有一個(gè)持續(xù)時(shí)間(Duration)）應(yīng)具有等于其關(guān)聯(lián) OSEK OS 計(jì)數(shù)器的 OsCounterMaxAllowedValue + 1 的持續(xù)時(shí)間。

注意：驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的模數(shù)被定義為OsCounterMaxAllowedValue + 1。其中，OsCounterMaxAllowedValue是一個(gè)常數(shù)，表示驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值。而+1是因?yàn)橛?jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)，因此最大計(jì)數(shù)值需要加上1才能得到模數(shù)。

為了使調(diào)度表達(dá)到同步，操作系統(tǒng)需要在一個(gè)己知的計(jì)數(shù)值啟動(dòng)調(diào)度表，這意味著調(diào)度表使用隱式同步策略時(shí)，只能使用絕對(duì)啟動(dòng)，不能使用相對(duì)啟動(dòng)。在調(diào)度表被絕對(duì)啟動(dòng)后，若終結(jié)點(diǎn)的偏移與驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值匹配時(shí)，該終結(jié)點(diǎn)將會(huì)被處理。為了保證調(diào)度表和驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器同步，通常的做法是在驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為0時(shí)啟動(dòng)調(diào)度表，即使用StartScheduleTableAbs(Tbl,0)，如圖所示：StartScheduleTableAbs(Tbl,0)是一個(gè)API函數(shù)，用絕對(duì)啟動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)調(diào)度表，并將其絕對(duì)時(shí)間點(diǎn)設(shè)置為0。它的作用是將調(diào)度表的執(zhí)行時(shí)間點(diǎn)設(shè)置為系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)，從而讓調(diào)度表從頭開始執(zhí)行。

其實(shí)說白了隱式同步就是在running和SYNC開始的節(jié)點(diǎn)，用絕對(duì)啟動(dòng)StartScheduleTableAbs(Tbl,0)使調(diào)度表 OS Counter的計(jì)數(shù)周期應(yīng)該等于任務(wù)調(diào)度表的持續(xù)時(shí)間。讓兩者運(yùn)行一致。從而實(shí)現(xiàn)調(diào)度表的周期性執(zhí)行。

顯示同步：

在顯示同步的情況下，調(diào)度表的更新和OS模塊的調(diào)度是顯式地同步的。即當(dāng)調(diào)度表中的任務(wù)時(shí)間到達(dá)時(shí)，OS模塊會(huì)立即調(diào)度該任務(wù)，并執(zhí)行該任務(wù)的任務(wù)函數(shù)。因此，在顯示同步的情況下，任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間是準(zhǔn)確的，并且可以保證任務(wù)的正確執(zhí)行順序和時(shí)間間隔。

顯式同步是指調(diào)度表的驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器和同步計(jì)數(shù)器不是同一個(gè)計(jì)數(shù)器，但是這 2 個(gè)計(jì)數(shù)器 tick 的周期是一樣的。

顯式同步的調(diào)度表（ScheduleTable）需要操作系統(tǒng)模塊的額外支持。調(diào)度表（ScheduleTable）正常情況下，由操作系統(tǒng)模塊的計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)，被稱為驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器（drive Counter）。但處理過程需要與不屬于操作系統(tǒng)模塊的計(jì)數(shù)器對(duì)象的另一種計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步，此類進(jìn)行同步的計(jì)數(shù)器被稱為同步計(jì)數(shù)器（synchronization Counter）。

在調(diào)度表（ScheduleTable）、操作系統(tǒng)模塊的計(jì)數(shù)器和同步計(jì)數(shù)器之間必須強(qiáng)制執(zhí)行以下約束：

約束1：顯式同步的調(diào)度表（ScheduleTable）的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)大于驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器（drive Counter）的模數(shù)。

約束2：顯式同步的調(diào)度表（ScheduleTable）的持續(xù)時(shí)間應(yīng)等于同步計(jì)數(shù)器（synchronization Counter）的模數(shù)。

約束3：同步計(jì)數(shù)器（synchronization Counter）應(yīng)與調(diào)度表（ScheduleTable）相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器drive Counter）具有相同的分辨率。這意味著調(diào)度表（ScheduleTable）上的滴答與同步計(jì)數(shù)器（synchronization Counter）上的滴答具有相同的持續(xù)時(shí)間。

如上圖所示：初始時(shí)調(diào)度表處于狀態(tài) STOPPED，調(diào)用函數(shù) StartScheduleTableSync()后，進(jìn)入狀態(tài) WAITING。WAITING 狀態(tài)一直持續(xù)到用戶調(diào)用 SyncScheduleTable()，

對(duì)每一個(gè)調(diào)度表初次調(diào)用 SyncScheduleTable()之后，調(diào)度表進(jìn)入 RUNNING_AND_SYNCHRONOUS 狀態(tài)。如果用戶對(duì)一個(gè)周期調(diào)度表沒有再次調(diào)用 SyncScheduleTable()，那么調(diào)度表將一直處在 RUNNING_AND_SYNCHRONOUS 狀態(tài)，但是當(dāng)用戶由于某種原因再次調(diào)用 SyncScheduleTable()后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行調(diào)度表與同步計(jì)數(shù)器之間的偏移值計(jì)算。如果計(jì)算出的偏移值大于調(diào)度表偏移的容忍度，那么調(diào)度表就會(huì)進(jìn)入 RUNNING 狀態(tài)，并且系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行調(diào)度表同步，直到調(diào)度表的偏移值小于等于調(diào)度表的偏移容忍度之后停止同步，調(diào)度表再次進(jìn)入 RUNNING_ AND_SYNCHRONOUS 狀態(tài)。