【AUTOSAR OS】资源以及资源管理原理与实现解析

一、Resource定义与作用

在AUTOSAR经典平台中，**Resource（资源）**指多个任务或中断共享的临界资源（如全局变量、外设寄存器等），通过资源管理器实现互斥访问，防止竞态条件。其核心作用包括：

1. 互斥控制：确保同一时刻仅有一个任务/中断访问资源。
2. 优先级管理：通过天花板优先级（Ceiling Priority）机制避免优先级反转。
3. 访问权限验证：基于任务/中断的访问掩码（Access Mask）限制非法访问。
4. 时间保护：监控资源占用时间，防止超时导致的功能安全风险。

二、核心数据结构

1. 资源控制块（RCB，Resource Control Block）

typedef struct {
    uint16 saveCount;          // 当前资源占用计数（嵌套获取次数）
    Os_PriorityType savePrio;  // 占用前的任务优先级
    Os_LevelType saveLevel;    // 占用时的OS级别（任务/中断）
    // 时间保护相关字段
    Os_TaskType osWhichTaskOccupy;
    Os_IsrType osWhichIsrOccupy;
    Os_TickType* osTmProtResBgtTask;
    Os_TickType* osTmProtResBgtIsr;
    TmProtResData osResTpData;
} Os_RCBType;

• 作用：记录资源状态，如当前占用者、优先级上下文、时间保护预算等。
• 关联数组：通过Os_RCB数组管理所有资源，索引为ResID。

2. 任务/中断控制块关联字段

• 任务控制块（TCB）：

  typedef struct {
      uint16 taskResCount;           // 已获取资源计数
      ResourceType taskResourceStack[CFG_RESOURCE_MAX]; // 资源栈（LIFO顺序）
      // 临界区相关字段（与资源释放顺序同步）
      uint16 taskCriticalZoneCount;
      ObjectType taskCriticalZoneType[CFG_SPINLOCK_MAX];
      uint16 taskCriticalZoneStack[CFG_SPINLOCK_MAX];
  } Os_TCBType;
  

• 中断控制块（ICB）：

  typedef struct {
      uint16 IsrC2ResCount;          // Cat2中断已获取资源计数
      ResourceType IsrC2ResourceStack[CFG_RESOURCE_MAX]; // 资源栈
      // 临界区相关字段
      uint16 isr2CriticalZoneCount;
      ObjectType isr2CriticalZoneType[CFG_SPINLOCK_MAX];
      uint16 isr2CriticalZoneStack[CFG_SPINLOCK_MAX];
  } Os_ICBType;
  

• 作用：通过栈结构记录资源获取顺序，确保释放时按LIFO原则匹配，避免非法释放。

3. 配置数据结构

• 资源配置数组：Os_ResourceCfg存储每个资源的类型（resourceOccupyType）和天花板优先级（ceiling）。
• 访问掩码（扩展状态下）：

  P2CONST(uint16*, OS_VAR, OS_CONST) Os_TaskResourceAccessMask; // 任务资源访问掩码
  P2CONST(uint16*, OS_VAR, OS_CONST) Os_IsrResourceAccessMask; // 中断资源访问掩码
  

  • 每个任务/中断通过掩码位（如ResID & 0x0Fu）验证是否有权限访问资源。

三、关键函数实现原理

1. 资源初始化：Os_InitResource()

FUNC(void, OS_CODE) Os_InitResource(void) {
    // 初始化RCB数组
    for (resId = 0; resId < Os_CfgStdResourceMax; resId++) {
        Os_RCB[resId].saveCount = 0U;
        Os_RCB[resId].savePrio = OS_PRIORITY_INVALID;
        // 时间保护初始化
        #if (TRUE == CFG_TIMING_PROTECTION_ENABLE)
            Os_RCB[resId].osWhichTaskOccupy = OS_TASK_INVALID;
            for (i = 0U; i < Os_SCB.sysTaskMax; i++) {
                Os_RCB[resId].osTmProtResBgtTask[i] = OS_TICK_INVALID;
            }
        #endif
    }
    // 多核场景下初始化核心相关配置
    vCoreId = Os_SCB.sysCore;
    Os_ResourceCfg = Os_ResourceCfg_Inf[vCoreId];
    Os_RCB = Os_RCB_Inf[vCoreId];
}

• 作用：
  • 重置所有资源的RCB状态，确保初始为未占用。
  • 加载核心相关的资源配置（如多核场景下的独立配置）。
  • 初始化时间保护相关字段（如预算数组指针）。

2. 获取资源：GetResource(ResourceType ResID)

FUNC(StatusType, OS_CODE) GetResource(ResourceType ResID) {
    OS_ENTER_KERNEL();
    // 核心ID验证、资源ID有效性检查
    if (Os_SCB.sysCore != Os_GetObjCoreId(ResID)) return E_OS_CORE;
    ResID = Os_GetObjLocalId(ResID); // 转换为本地索引
    // 扩展状态下的访问权限检查
    #if (OS_STATUS_EXTENDED == CFG_STATUS)
        if (Os_RCB[ResID].saveCount > 0U) return E_OS_ACCESS; // 资源已被占用
        if (任务/中断无访问权限) return E_OS_ACCESS;
    #endif
    // 根据资源类型调用具体获取逻辑
    return Os_GetResource(ResID);
}

static FUNC(void, OS_CODE) Os_GetResourceByTask(Os_TCBType* pTCB, ResourceType ResID) {
    Os_PriorityType prio = Os_ResourceCfg[ResID].ceiling;
    // 保存当前优先级并提升至天花板优先级
    pTCB->taskRunPrio = (prio > pTCB->taskRunPrio) ? prio : pTCB->taskRunPrio;
    // 更新系统最高优先级
    if (prio > Os_SCB.sysHighPrio) {
        Os_SCB.sysHighPrio = prio;
        Os_SCB.sysHighTaskID = Os_SCB.sysRunningTaskID;
    }
    // 记录资源获取顺序
    Os_SaveResourceByTaskOrder(pTCB, ResID);
    // 时间保护启动
    #if (TRUE == CFG_TIMING_PROTECTION_ENABLE)
        Os_TmProtResStart(ResID, TP_RES_OCCUPY_TASK);
    #endif
}

• 核心逻辑：
  1. 权限与状态检查：验证资源是否可用、调用者是否有权限。
  2. 优先级提升：根据资源类型（OCCUPIED_BY_TASK等）提升任务优先级至天花板优先级，避免优先级反转。
  3. 中断处理：对于OCCUPIED_BY_TASK_OR_INTERRUPT类型，通过Os_ArchSetIpl()屏蔽中断至对应优先级。
  4. 栈记录：将资源ID压入任务/中断的资源栈，确保释放顺序正确。

3. 释放资源：ReleaseResource(ResourceType ResID)

FUNC(StatusType, OS_CODE) ReleaseResource(ResourceType ResID) {
    OS_ENTER_KERNEL();
    // 有效性检查（如核心ID、资源ID、调用上下文）
    // 转换为本地索引并调用具体释放逻辑
    return Os_ReleaseResource(ResID);
}

static FUNC(StatusType, OS_CODE) Os_ReleaseResourceByTask(Os_TCBType* pTCB, ResourceType ResID) {
    // 验证释放顺序（栈顶匹配）
    #if (CFG_SPINLOCK_MAX > 0U)
        if (资源栈顶 != ResID) return E_OS_NOFUNC;
    #endif
    // 恢复任务优先级
    Os_PriorityType savePrio = Os_RCB[ResID].savePrio;
    pTCB->taskRunPrio = savePrio;
    // 从就绪队列移除当前任务的天花板优先级
    Os_ReadyQueueRemove(OS_LEVEL_STANDARD_RESOURCE, prio);
    // 弹出资源栈
    Os_ResumeResourceByTaskOrder(pTCB, ResID);
    // 时间保护结束
    #if (TRUE == CFG_TIMING_PROTECTION_ENABLE)
        Os_TmProtResEnd(ResID);
    #endif
    // 重新计算系统最高优先级并触发调度
    Os_SCB.sysHighPrio = Os_GetHighPrio();
    if (需要调度) Os_Dispatch();
    return E_OK;
}

• 核心逻辑：
  1. 合法性验证：确保释放顺序与获取顺序一致（LIFO），避免非法释放。
  2. 优先级恢复：将任务优先级降回获取资源前的优先级，并更新系统最高优先级。
  3. 中断恢复：对于OCCUPIED_BY_TASK_OR_INTERRUPT类型，恢复中断屏蔽级别。
  4. 调度触发：若释放资源后存在更高优先级就绪任务，触发任务切换。

4. 时间保护机制

// 启动资源占用计时
#if (TRUE == CFG_TIMING_PROTECTION_ENABLE)
    if (任务/中断配置了时间保护) {
        Os_TmProtResStart(ResID, TP_RES_OCCUPY_TASK);
    }
// 结束计时并检查超时
    Os_TmProtResEnd(ResID);
#endif

• 通过Os_TmProtResStart和Os_TmProtResEnd监控资源占用时间，若超过配置的预算（osTmProtResBgtTask），触发时间保护错误处理。

四、使用示例：任务间资源互斥

假设存在两个任务TaskA和TaskB，共享资源ResID=0（类型为OCCUPIED_BY_TASK，天花板优先级为5）。

1. 资源配置

// Os_ResourceCfg[0] 配置
{
    .resourceOccupyType = OCCUPIED_BY_TASK,
    .ceiling = 5, // 天花板优先级
    // 其他配置...
}
// 任务访问掩码：允许TaskA和TaskB访问
Os_TaskResourceAccessMask[TaskA_ID][0 >> 4] |= (1u << (0 & 0x0F));
Os_TaskResourceAccessMask[TaskB_ID][0 >> 4] |= (1u << (0 & 0x0F));

2. 任务实现

TASK(TaskA) {
    StatusType err;
    // 获取资源
    err = GetResource(ResID);
    if (err == E_OK) {
        // 临界区代码
        SharedData = 42;
        // 释放资源
        ReleaseResource(ResID);
    }
    TerminateTask();
}

TASK(TaskB) {
    StatusType err;
    err = GetResource(ResID);
    if (err == E_OK) {
        // 临界区代码
        uint32 temp = SharedData;
        ReleaseResource(ResID);
    }
    TerminateTask();
}

3. 执行流程

1. TaskA调用GetResource，优先级提升至5，获取资源成功。
2. 若此时TaskB（优先级4）就绪，因TaskA优先级更高，继续运行。
3. TaskA释放资源后，优先级恢复为原优先级，系统重新调度，TaskB获取资源并执行。

五、总结

该资源管理器实现遵循AUTOSAR标准，通过天花板优先级机制解决优先级反转，利用栈结构保证资源获取/释放顺序正确性，并集成时间保护功能满足功能安全需求。核心设计要点包括：

• 配置灵活性：通过宏开关（如CFG_RESOURCE_MAX、OS_STATUS_EXTENDED）支持不同硬件和安全等级配置。
• 多核支持：通过核心ID隔离资源配置（如Os_RCB_Inf[vCoreId]），避免跨核心资源冲突。
• 错误处理：通过E_OS_ACCESS、E_OS_NOFUNC等错误码及Os_TraceErrorHook提供调试和故障诊断能力。

实际应用中，需根据系统需求配置资源类型、天花板优先级及访问掩码，确保临界资源的安全互斥访问。