一般看《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》的書籍，都會(huì)有進(jìn)程（Process），線程（Thread）的概念。但是在嵌入式RTOS里面，比如應(yīng)用于汽車軟件的OSEK/VDX Operating System Specification 2.2.3規(guī)范里沒有這兩個(gè)概念，有的是任務(wù)（Task）。那么這三個(gè)概念是什么關(guān)系呢?本文闡述一下作者的理解。
進(jìn)程的概念
進(jìn)程是一個(gè)具有獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合的一次運(yùn)行活動(dòng)。它可以申請(qǐng)和擁有系統(tǒng)資源，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，是一個(gè)活動(dòng)的實(shí)體。
“獨(dú)立功能”表示進(jìn)程是面向使用者的定義，它關(guān)心的是要做什么？比如，在電腦上我要寫一篇文章，打開Word。那么計(jì)算機(jī)就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Microsoft Word的進(jìn)程，如果我想同步寫兩篇文章，就要再打開一個(gè)Word，計(jì)算機(jī)就又創(chuàng)建一個(gè)Microsoft Word的進(jìn)程。
普通的計(jì)算機(jī)機(jī)可以同步做幾件事情，比如“上網(wǎng)”，“看電影”，“打游戲”，就是說可以運(yùn)行很多進(jìn)程。但是嵌入式計(jì)算機(jī)通常設(shè)計(jì)成只做一件事情，比如在汽車領(lǐng)域，整車控制器VCU，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火控制器ECU，變速箱換擋控制器TCU，車身控制器BCM等。這樣類比，傳統(tǒng)的一個(gè)電子控制單元ECU相當(dāng)于只運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程。未來的XCU就是可以運(yùn)行多進(jìn)程的ECU
“資源分配”表示進(jìn)程操作的對(duì)象，它關(guān)心的是用什么做？比如整車控制器VCU，
輸入資源：加速踏板傳感器，剎車踏板傳感器等
輸出資源：驅(qū)動(dòng)水泵的PWM模塊等
通信資源：與TCU，EMS交互數(shù)據(jù)的CAN通信等。
每個(gè)具體的電氣資源都會(huì)抽象成軟件里面的一個(gè)具體對(duì)象（變量）。
“資源調(diào)度”表示進(jìn)程操作對(duì)象的方法，它關(guān)心的是怎么用？調(diào)度是操作系統(tǒng)的核心，如果沒有調(diào)度，就算給ECU通電，執(zhí)行器也不能動(dòng)作，就不能實(shí)現(xiàn)控制功能。
調(diào)度的過程是多樣的，怎樣調(diào)度才能最有效的利用資源是軟件設(shè)計(jì)師要考慮的問題。在所有資源中，“CPU”資源是最核心的資源。傳感器不夠了，可以擴(kuò)展電路增加一個(gè)。但是在單CPU系統(tǒng)中，特別的又只有一個(gè)Core，不可能簡單的增加一個(gè)CPU，這無異于重新設(shè)計(jì)一個(gè)ECU系統(tǒng)。而在原來的CPU上增加一個(gè)Core，不是ECU開發(fā)商能做的事情。圍繞如何有效的利用“CPU資源”，引入了線程。
線程的概念
線程（英語：thread）是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位。它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。一條線程指的是進(jìn)程中一個(gè)單一順序的控制流，一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。
“運(yùn)算調(diào)度”，表示線程是面向運(yùn)算器的，即CPU的。在這個(gè)層面上，它只關(guān)心CPU一個(gè)資源，其它的資源不考慮。
“最小單位”，表示一旦被定義為線程，就不應(yīng)該再向下分子線程了，如果可以分那么在設(shè)計(jì)程序時(shí)應(yīng)該先分。比如，某個(gè)Thread_10ms()，分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)中的某些邏輯執(zhí)行周期應(yīng)該是2ms，那么就應(yīng)該把它拆分成Thread_10ms()和Thread_2ms()
“單一順序流”，表示一個(gè)線程一旦啟動(dòng)，它就應(yīng)該按順序從頭執(zhí)行完。如果中間被暫停應(yīng)該記錄暫停點(diǎn)，等恢復(fù)后從暫停點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。如果恢復(fù)后沒有從暫停點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行，應(yīng)該為錯(cuò)誤。
“不同的任務(wù)”，表示一個(gè)任務(wù)只能交給一個(gè)線程執(zhí)行。否則的話，會(huì)導(dǎo)致非預(yù)期的結(jié)果。比如，有一個(gè)任務(wù)Task_Printf(“Hello World”)，當(dāng)把它單獨(dú)掛在10ms進(jìn)程里，那么屏幕上每隔10ms輸出一個(gè)“Hello World”；當(dāng)把它單獨(dú)掛在2ms進(jìn)程里，那么屏幕上每隔2ms輸出一個(gè)“Hello World”。但是在一個(gè)可搶占式操作系統(tǒng)里，如果把它們都掛在2個(gè)線程里，2ms任務(wù)可能會(huì)搶占10ms任務(wù)。屏幕上可能會(huì)輸出“Hello Wo Hello World rld”等奇怪的字符串。
任務(wù)的概念
筆者翻了很多資料和文章，發(fā)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的定義可謂五花八門，例如：
百度的定義：
在多道程序或多進(jìn)程環(huán)境中，要由計(jì)算機(jī)來完成的基本工作元，它是由控制程序處理的一 個(gè)或多個(gè)指令序列。
OSEK OS 2.2.3的定義：
復(fù)雜的控制軟件可以方便地細(xì)分為根據(jù)其實(shí)時(shí)性要求執(zhí)行的部件。這些部件可以通過任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。任務(wù)提供了執(zhí)行功能的框架。操作系統(tǒng)提供任務(wù)的并發(fā)和異步執(zhí)行。調(diào)度程序組織任務(wù)執(zhí)行的順序。
μCOS-III的定義：
任務(wù)（也稱為線程）是一個(gè)簡單的程序，認(rèn)為它本身具有中央處理器（CPU）。在單個(gè)CPU上，任何給定時(shí)間只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。
任務(wù)看起來就像任何其他C函數(shù)一樣，除了一些小的區(qū)別。任務(wù)有兩種類型：完成運(yùn)行（清單5-1）和無限循環(huán)（清單5-2）。在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)通常采取無限循環(huán)的形式。同樣，不允許任何任務(wù)像其他C函數(shù)一樣返回。鑒于任務(wù)是常規(guī)C函數(shù)，它可以聲明局部變量。
TASKING-OS的定義:
任務(wù)是具有特定目的的半獨(dú)立程序段。大多數(shù)現(xiàn)代的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序需要多個(gè)任務(wù)。任務(wù)提供了執(zhí)行功能的框架。RTOS提供任務(wù)的并發(fā)和異步執(zhí)行。調(diào)度程序組織任務(wù)執(zhí)行的順序，包括一種在沒有其他系統(tǒng)或應(yīng)用程序功能處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)的機(jī)制：空閑機(jī)制。
任務(wù)具有靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，是否可以被搶占，可以或不能進(jìn)入等待狀態(tài)，是否是或不是優(yōu)先級(jí)的唯一所有者，依此類推。
SylixOS的定義:
總結(jié)下來，在通用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)里，只強(qiáng)調(diào)進(jìn)程和線程的概念。而在嵌入式操作系統(tǒng)里，任務(wù)就是線程的意思。怎么會(huì)這樣呢？這是因?yàn)橐粋€(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)為只實(shí)現(xiàn)一個(gè)具體功能的是專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只相當(dāng)于一個(gè)進(jìn)程。而且，通用計(jì)算機(jī)的一個(gè)進(jìn)程可衍生出幾個(gè)獨(dú)立進(jìn)程，好比你可以打開兩個(gè)Word文檔交互編輯。但是，一個(gè)汽車ECU不可能用軟件復(fù)制的方法控制兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。所以，在一般的嵌入式系統(tǒng)里說進(jìn)程沒有意義（智能手機(jī)等多用途設(shè)備除外）。從事嵌入式開發(fā)的很多都不是計(jì)算機(jī)專業(yè)科班出身的，大多數(shù)是電子技術(shù)專業(yè)畢業(yè)，因?yàn)橛布_發(fā)需要才轉(zhuǎn)入研究嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而線程是計(jì)算機(jī)術(shù)語，沒有進(jìn)程的襯托，一般人不好理解。而任務(wù)本身就面向人的詞語，所以在大多數(shù)嵌入式RTOS里都只講任務(wù)（Task）
然而，筆者覺得還是有必要從計(jì)算機(jī)術(shù)語的角度對(duì)這些概念加以清晰的理解。理由有兩點(diǎn)：
嵌入式系統(tǒng)的功能逐漸強(qiáng)大，越來越接近通用計(jì)算機(jī)功能，比如智能手機(jī)。在汽車電子領(lǐng)域，XCU是發(fā)展的方向，一個(gè)XCU肯定是多進(jìn)程的，光定義任務(wù)不夠，還要定義它屬于發(fā)動(dòng)機(jī)，或者變速箱。
任務(wù)和線程還是不一樣的。比如下面這兩句話。
老板給員工說：“你到我辦公室來一下”
老板給員工說：“你5點(diǎn)鐘到我辦公室來一下”
定義“到辦公室來”是任務(wù)。第一句話沒有調(diào)度的概念，就是沒有線程，什么時(shí)候“到辦公室來”沒有講（這里不附加默認(rèn)是現(xiàn)在的意義），那么員工在任何時(shí)候都可以去辦公室，所以這個(gè)任務(wù)的執(zhí)行是不確定的。第二句話，增加了調(diào)度時(shí)刻“5點(diǎn)鐘”，那么這件事情就清晰了。從而，我們可以嚴(yán)格定義進(jìn)程、線程、任務(wù)的關(guān)系。
OSEK OS的Application modes：
筆者不打算推翻嵌入RTOS的概念，當(dāng)然也沒有這個(gè)必要。在面對(duì)計(jì)算機(jī)時(shí)，軟件工程師一般都清楚他要做什么，雖然表達(dá)上有差異，但不影響對(duì)內(nèi)涵的理解。就像有人喜歡叫“貓”，有人喜歡叫“咪”，都是同一個(gè)事情。注意到，在OSEK OS里有Application modes的概念
應(yīng)用程序模式旨在允許OSEK操作系統(tǒng)在不同的操作模式下運(yùn)行。許多ECU可能會(huì)執(zhí)行完全獨(dú)立的應(yīng)用程序，例如工廠測試，F(xiàn)lash編程或正常運(yùn)行。應(yīng)用模式是一種根據(jù)這些不同條件構(gòu)造在ECU中運(yùn)行的軟件的方法，并且是開發(fā)完全獨(dú)立的系統(tǒng)的簡潔機(jī)制。通常，每種應(yīng)用程序模式都使用其自己的所有任務(wù)，ISR，警報(bào)和計(jì)時(shí)條件的子集，盡管在不同模式下運(yùn)行任務(wù)或ISR不受限制。如果再次需要相同的功能，建議在不同模式之間共享任務(wù)/ ISR /警報(bào)。
這看起來有點(diǎn)兒像“進(jìn)程”的概念，前面我們說一個(gè)執(zhí)行特定功能的ECU只有一個(gè)進(jìn)程，但這個(gè)只是主進(jìn)程。一個(gè)只有主進(jìn)程的ECU功能上還是受限制的。比如，ECU在出廠前要測試功能，執(zhí)行測試的程序肯定與正常工作的程序不一樣。舊的程序需要被更新到新的程序，此時(shí)需要切換到Boot程序里運(yùn)行。這實(shí)際上就是不同的進(jìn)程。只是，嵌入式軟件里的進(jìn)程和通用計(jì)算機(jī)里的進(jìn)程還不一樣。
通用計(jì)算機(jī)里的進(jìn)程執(zhí)行到一半可以切換到另一個(gè)進(jìn)程，比如打字到一半不關(guān)閉Word，而切換到看電影。在汽車?yán)锩妫l(fā)動(dòng)機(jī)控制器程序運(yùn)行到一半暫停，跑到Boot模式，過一會(huì)兒再切回發(fā)動(dòng)機(jī)控制器程序繼續(xù)運(yùn)行？這個(gè)在技術(shù)上也可以做到，但是肯定不會(huì)這樣干。有幾個(gè)理由：
帶來安全問題
Boot和App程序要分配獨(dú)立RAM空間保存各自狀態(tài)，浪費(fèi)資源
沒有必要，從頭開始運(yùn)行App程序到執(zhí)行到某個(gè)斷點(diǎn)也就幾十到幾百毫秒，保護(hù)現(xiàn)場的進(jìn)程切換節(jié)省不了多少時(shí)間。
達(dá)不到控制目的，汽車軟件的一個(gè)程序只要運(yùn)行中停止了，無論是主動(dòng)的行為還是被動(dòng)的異常，都會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前功能的喪失。程序必須要重新運(yùn)行才能重啟功能。
第4條是最主要的功能，所以汽車軟件的進(jìn)程就三個(gè)狀態(tài)。這樣就不需要進(jìn)程控制塊，不需要進(jìn)程棧。必須要先結(jié)束一個(gè)進(jìn)程才能切換到另一個(gè)進(jìn)程。
AutoSar OS的OsApplication
在AutoSarOS標(biāo)準(zhǔn)里新增加了OsApplication的概念，乍一看和OSEK OS的Application modes一樣， AUTOSAR OS必須能夠支持構(gòu)成內(nèi)聚功能單元的一系列操作系統(tǒng)對(duì)象（任務(wù)，ISR，警報(bào)，計(jì)劃表，計(jì)數(shù)器）。該對(duì)象集合稱為OS應(yīng)用程序。但本質(zhì)上是不一樣的。
AutoSarOS引入OS-Application的目的是為了防止程序的錯(cuò)誤傳播，引入Trusted OS-A和Non-trusted OS-A屬于功能安全的要求。Non-trusted OS-A可以訪問Trusted OS-A，反之不可。這類似于面向?qū)ο缶幊痰摹皃ublic”和“private”屬性。Private可訪問public對(duì)象，反之不可。
一個(gè)OS Application mode下面可以有很多個(gè)OS-Application, OS-Application不是運(yùn)行實(shí)體。它只是定義了資源的隸屬關(guān)系，當(dāng)某個(gè)調(diào)度表/任務(wù)訪問某個(gè)資源的時(shí)候，要首先判定我沒有這個(gè)權(quán)限？這個(gè)權(quán)限來自一張靜態(tài)定義的OS Application表。
與OS Application類似的是，汽車診斷規(guī)范里定義了不同的會(huì)話模式能訪問的診斷服務(wù)的權(quán)限。例如，默認(rèn)會(huì)話下不能調(diào)用$27服務(wù)。但會(huì)話模式既不是一個(gè)進(jìn)程，也不是一個(gè)OS Application，這個(gè)純粹是軟件設(shè)計(jì)邏輯，與用什么操作系統(tǒng)沒關(guān)系。
