基于AUTOSAR规范的操作系统知识

汽车电子控制器中目前基本遵循AUTOSAR规范，而其中操作系统作为BSW的重头戏，始终让学习AUTOSAR的同学望而生畏，进而望而却步。所以，今天整理下基于AUTOSAR规范的操作系统知识，方便大家学习，以供参考。

0 为什么需要OS？

现在嵌入式系统纷繁复杂，这点毋庸置疑，但是为什么需要操作系统呢？有没有仔细思考过。其实在早期的嵌入式系统中，是没有操作系统概念的。相信做嵌入式开发的同学都能理解，在main()函数中，写个while循环，再加个定时器，按照分时间片的方式，定时执行代码，就可以完成简单的调度。

但是，现在不一样了，系统越来越复杂了，以前那种简单粗暴的调度已经无法满足要求。说到系统复杂，主要原因有如下几点：

• 任务多样化；
• 周期复杂化；
• 分层调用嵌套；
• 多核系统引入；

举个例子。比如，我们有个三核系统，其中core0负责应用功能ASW，core1负责基础功能BSW，core2负责系统监控、功能安全和诊断等。如何在功能运行时，满足其正常任务的调度，同时系统代码指令和监控等也同步呢？在main()函数里，我们通过循环语句加定时器再试试看，估计要“难于上青天”了吧。

所以，就需要一个叫做操作系统的东西出现。它管理任务和事件的调度、不同任务之间的数据流，并提供监视和错误处理功能。操作系统为实时应用提供所有基本服务，包括中断处理、调度、系统时间和时钟同步、本地消息处理，以及错误检测机制。

1 AUTOSAR OS特点

操作系统可以根据它们的特征被分成不同的组，比如静态配置和动态管理。要对AUTOSAR操作系统(下文简称AUTOSAR OS)进行分类，以下是其基本特征：

• 静态配置
• 推断系统的实时性能
• 提供基于优先级的调度策略
• 运行时提供保护功能(内存、定时等)
• 无需外部资源，可嵌入低端控制器

所以，Autosar OS 和常见的OS(如linux系统OS)具有以下的区别：

• 在运行时不会动态创建新任务；
• 属于预编译配置变体，必须在编译之前定义所有任务；
• 操作系统没有动态内存管理，也没有用于手动控制任务的shell。

在AUTOSAR OS提出之前，在汽车电子领域其操作系统已经经历了两个阶段，即non-OSEK OS和OSEK OS。

当然，现在处于的第三个阶段Autosar OS，是与OSEK兼容的操作系统，但是具有多个扩展性能。例如可扩展功能：调度表，OS applications，内存保护和时序保护。OSEK OS 特别提供了以下特性支持AUTOSAR：

• 基于优先级调度
• 处理中断的功能
• 中断高于任务的优先级
• 防止错误使用OS 服务的保护措施
• StartOS和StartupHook 启动接口
• ShutdownOS和ShutdownHook 关闭接口

具体的OS的可扩展级别分四级：

2 AUTOSAR OS的对象

Autosar OS提供基于优先级的调度策略，具有可抢占属性和同步的机制，通过事件和资源的属性来实现。AutosarOS提供以下对象进行多任务执行的管理，如 Alarms，Applications，Application modes，Counters，Events，ISRs，Register Sets，Resources，Schedule tables，Spinlocks，Tasks。 这些对象及其配置是AUTOSAR OS的重点内容，后续我们会分别详细解释，这里简单介绍。

Alarms ：警报器，就像我们的上课铃声，到时间就会响。操作系统用它来做一些定时的事，比如激活一个任务Task。

Applications ：从字面意思理解，它是一个应用，准确地说，它应该是一个分区。它部署到某个Core上，主要的作用就是管理放到其中的对象。为什么要这个东西呢？举个不恰当的例子。MCU像一个国家，核就是它的省，那么Applications就可以理解成省管辖下的地级市。比如，某一天一个地级市里发现了大量新冠病毒感染者，为了防止扩散，将该市封闭处理，以免扩张到其他市区。想想看，当这个市里出现疫情时，是封闭整个省好呢，还是仅封闭该市好呢？显然是后者。芯片里的划区也是非常合理的。AUTOSAR OS 分区分为可信的和非可信的。

Application modes ：用的极少，这里不展开介绍；

Counters ：把Counter比作心脏比较合适，对于芯片来说，它就是晶振。在操作系统它的作用就是计时或者计数，一般Counter与芯片的Timer结合起来，Counter的精度决定了操作系统能计时的准确度。

Events： 事件。在嵌入式操作系统中，事件一般是和任务绑定一起来实现调度功能的，当然也可以由Alarms来触发。比如，我通过设定某个任务在10ms进程执行，10ms的任务就和该事件一起来实现。

ISRs： interrupt service routine，就是我们讲的中断。中断的概念对于嵌入式开发的同学而言，应该都比较熟悉。在AUTOSAR OS中中断有两种类型，Autosar OS中将中断分为Cat1 和Cat2，即所谓的1类中断和2类中断，所谓的2类中断其实就是完全被OS接管的中断，这类中断的上下文切换，堆栈管理全部由OS管理；而1类中断则不被OS接管，因此它的上下文由自己管理。另外Autosar Os中要求Cat1的中断的最低优先级高于Cat2的最高优先级，也就是说Cat1的中断优先级更高。所以Cat1的中断一般用于时间要求更紧急的场合。要知道，中断有比任何任务都高的优先级，即中断可以抢占任务。

Register Sets： 几乎没有使用，暂时不介绍。

**Resources：**资源。嵌入式系统内部的资源是用来强制任务分组运行的，在分组内部，是没有抢占一说的，即共享资源。当然，中断就不能使用内部分组资源了。共享什么资源呢？比如栈的共用，为了降低系统的负荷，我们可以让同分组的任务共用分配的栈资源，你用完我用，像和谐社会一般。

**Schedule tables：**调度表，可以将其理解为包含了很多调度点的表，Autosar Os中一般这么用调度表，比如有 1ms，2ms，5ms 三个周期需要调度的任务，那么会根据公约数，生成一个表，这个表在1ms 处调度1ms任务，2ms处调度1ms和2ms任务，4ms处调度1ms和2ms任务，5ms处调度1ms和5ms任务，10ms处调度1ms，2ms，5ms任务，然后按照这样的关系循环，这就是所谓的调度表。目前有部分主流的Autosar开发商使用这种方式进行任务的调度。当然，Schedule Table有自己的状态机，Schedule Table调度方式最大的好处在于保持调度的同步性。

Spinlocks： 没有项目使用，暂不介绍。

**Tasks：**任务应该也比较熟悉，Autosar Os有些自己的性质，简单介绍下。

Task 类型：

• Basic Task：包含状态Ready，Running，Suspend
• Extend Task：包含状态Ready，Running，Suspend和Waiting

所谓的扩展task，就是多了一个Waiting状态，因此它一般就是等待一个Event的到来。

此外Task的调度分为抢占式和协作式，对于可抢占的Task，OS会根据Task的优先级进行排序调度，优先级高的可以抢占优先级低的。在AUTOSAT OS中数字越大优先级越高。

当然，操作系统还有内存保护，时序保护和错误机制等内容，今天概览性地介绍这些，后续有机会再分别详细阐述。