OSEK任务管理

1 前言

        RTOS通过任务（task）来组织应用层程序框架（framework），支持任务的并发和同步执行（concurrent and asynchronous execution of tasks），并通过调度器（scheduler）来管理任务的执行，OSEK也概莫能外。

        OSEK将任务划分为基础任务（basic tasks）和拓展任务（extended tasks）两类。对于基础任务来说，它们会一直占有CPU，直至其主动终止（terminate）任务运行，或被高优先级的任务/中断抢占，才会释放CPU资源；而拓展任务的特殊性在于多了一个可阻塞的等待状态，即任务阻塞在那里等待一个事件的触发（WaitEvent，如等待一个队列的入队操作等），这一状态被称为等待状态（waiting state）。

        拓展任务的等待状态的好处显而易见，即可以让出CPU资源给优先级较低的任务，但从OS的角度来看，相对于基础任务，其消耗的资源必然也更大，毕竟进入阻塞的等待状态前，需要对该拓展任务进行现场保护，这存在着时间和空间上的开销。

2 任务状态机模型

2.1 状态模型

        如图1所示，基础任务和拓展任务的区别主要在于waiting状态（等待态/阻塞态），而running（运行态），suspended（挂起态）和ready状态（就绪态）的定义完全相同。显然，由于基础任务没有等待状态，因此只包含任务开始和结束时这两个同步点（synchronisation point）；对于有内部同步点的作业，还是拓展任务更能胜任。

图1（a） 状态模型示意图

图1（b） 状态模型示意图

        此外，为了降低系统复杂度，OSEK规定只有任务本身可以终止自己（self-termination），如果一个任务调用ChainTask来链式激活自己，则会将自己加到对应优先级的就绪态队列尾部，等待调度执行；同时，没有从挂起态到等待态的直接转换路径，在挂起状态下，任务处于被动状态，即可以被激活。

        调度器（scheduler）根据调度策略（scheduling policy）来决定各任务的状态，选择当前得以运行的任务（使之从ready状态进入running状态），并为其统筹所有系统资源。从某种意义上，调度器本身也可以看作一种资源，在单核环境下，在同一时刻最多只能被一个任务占有，其本质是对应着CPU的计算资源。

2.2 任务优先级

        OSEK完全摒弃了动态设置任务优先级的方式，采用静态方式配置任务优先级，即不可再运行时更改任务优先级。0是最低任务优先级，数值越大，则代表优先级越高，这点与freeRTOS相同，与ARM中断优先级定义方式相反。

        此外，在BCC2或ECC2下，支持多个任务配置相同优先级。

2.3 调度策略

2.3.1 完全抢占式调度（Full preemptive scheduling）

        简单来说，完全抢占式调度只有一个规则，就是完全按照优先级来进行调度，谁的优先级高，谁就执行。正在运行的任务必须做好随时被拉下神坛的觉悟，一旦有优先级更高的任务出现，则必须退位让贤（保存上下文，退回就绪态，让出CPU）。这种随时随地可能发生的重调度也就意味着，任务间的共享数据必须做好同步，否则必有惊喜出现。

        总的来说，重调度点（触发系统调度）主要包括以下几种情形：

        ① 通过系统服务TerminateTask成功终止一个任务时，或通过系统服务ChainTask成功终止当前任务并激活下一个任务时；

        ② 任务级别的任务激活（Activating a task at task level），包括通过系统服务ActivateTask
激活任务、通过消息通知机制（message notification mechanism）激活任务、或定时器溢出（alarm expiration）来激活任务等；

        ③ 在拓展任务中调用系统服务WaitEvent时，任务进入等待状态；

        ④ 设置一个事件（event)以唤醒等待该事件的任务，事件的设置可以通过系统服务SetEvent或通过消息通知机制或在定时器溢出处理中来实现；

        ⑤ 任务级别的资源释放（通过系统服务ReleaseResource）；

        ⑥ 从中断返回任务时（Return from interrupt level to task level）；

        ⑦ 显式调用系统服务函数Schedule时，触发调度。

2.3.2 非抢占式调度

         该调度策略完全依赖于基于系统服务的显示调用来触发调度。在此策略下，任务的优先级显然也没多大意义了，高优先级的任务无法抢占低优先级的任务，只能等待低优先级任务主动让出CPU，这对于实时系统来说，显然时不利的。

        非抢占式调度的重调度点主要包括以下几种情形：

       ① 通过系统服务TerminateTask成功终止一个任务时，或通过系统服务ChainTask成功终止当前任务并激活下一个任务时；

       ② 显式调用系统服务函数Schedule时，触发调度；

      ③ 任务陷入等待状态，通常都是等待一个事件导致的（WaitEvent），其本质是任务被迫让出CPU的使用权。

2.3.3 任务组（Groups of tasks）

        OSEK支持对任务进行分组，以分别执行抢占式调度策略和非抢占式调度策略。具体来说，对于那些优先级小于等于组内最高优先级（the highest priority within a group）的任务，执行非抢占式调度策略（non preemptable tasks）；对于那些优先级大于组内最高优先级的任务，执行抢占式调度策略。

        这么做有什么好处呢？一个典型的例子，可以将共享同一资源的任务分在一组内，而当任何组内占有这一共享资源时，都会通过优先级提升将任务优先级临时设置为资源的上限优先级（天花板优先级，ceiling priority of the resource），这会避免不必要的任务抢占和调度，毕竟共享资源本事就是临界资源。另一方面，对于那些优先级高于上限优先级且不需要该资源的任务，仍以抢占式调度策略来执行。

2.3.4 混合式抢占调度策略（Mixed preemptive scheduling）

         当系统上同时存在可抢占和不可抢占任务时，就需要应用混合式抢占调度策略。在这种情况下，会为任务添加上是否可抢占的属性标签，并在运行时执行对应的调度策略。这也就意味着，系统中的任务存在两种不同调度类型，即可抢占和不可抢占（preemptable or non preemptable)，这与任务类型（task type，基础任务和拓展任务）是相互独立的、不同维度的概念。

        在完全抢占式调度策略里混合点不可抢占的刺头的意义在哪呢？首先，如果一个任务的执行时间很短，短到同切换上下文（任务切换）的耗时接近，甚至更短，那就没必要抢占这个任务，让它执行结束好了；其次，不抢占意味着不用做上下文切换，也就省去了现场保护的内存开销，这对于RAM的节约相当友好；最后，也有可能存在一些这样那样的任务，人家本身就是不希望被抢占的。