μC／OS- -III對信號量的改進(jìn)

黃土琛，宮輝，邵貝貝

（1.清華大學(xué) 工程物理系，北京100084；2.清華大學(xué) 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點實驗室）

引 言

μC／OS是一個基于優(yōu)先級調(diào)度的可剝奪型實時多任務(wù)內(nèi)核。在多任務(wù)的實時內(nèi)核中，信號量是常用的機制，可以用來實現(xiàn)對共享資源的訪問、任務(wù)之間的通信和同步，以及任務(wù)和中斷的同步等功能。μC／OS -II中提供了等待和釋放信號量等最基本的服務(wù)，而在μC／OS -III中，對信號量的使用增加了一些可選的模式，如非阻塞等待、釋放但不進(jìn)行任務(wù)調(diào)度等，提高了使用的靈活性。更重要的是，在μC／OS -III中還新增了任務(wù)內(nèi)嵌的信號量，用戶程序無需建立信號量便可和任務(wù)直接通信，比普通信號量更加簡單高效。本文將分析對比μC／OS -II和μC／OSIII中信號量內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異以及μC／OS -III新增的特性。

1 μC／OS -II中信號量內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在μC／OS -II中，信號量直接使用內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)OS＿EVENT，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：

其中，和信號量相關(guān)的最重要的就是OSEventCnt、OSEventGrp和OSEventTbl［］。OSEventCnt記錄的是信號量的有效值。OSEventTbl［］是一個位映射表，以64級優(yōu)先級為例，OSEventTbl［］將是一個8×8的位映射表，如果某優(yōu)先級下有任務(wù)在等待該事件，則OSEventTbl［］中對應(yīng)的位將被置1。為了加快查詢過程，又將64級優(yōu)先級分為8組，用一個8位的整型OSEventGrp來記錄每一組的狀態(tài)?？梢?，OSEventGrp和OSEventTbl［］跟就緒表中的OSRdyGrp和OSRdyTbl［］結(jié)構(gòu)是一模一樣的，區(qū)別僅僅在于前者記錄的是等待該事件的任務(wù)的狀態(tài)，而后者記錄的是系統(tǒng)中就緒的任務(wù)的狀態(tài)。而兩者的查找過程是一樣的，都是通過“掩碼表”來快速得到列表中優(yōu)先級最高的任務(wù)。

μC／OS-II提供的信號量相關(guān)的最常用的幾個API函數(shù)如下：

在使用信號量前必須先新建一個信號量，并指定其初始值。當(dāng)信號量用于對共享資源的訪問時，該值應(yīng)初始化為實際可用的共享資源數(shù)；當(dāng)信號量用來實現(xiàn)任務(wù)的同步，則初始值應(yīng)設(shè)為0。調(diào)用等待信號量的OSSemPend（）函數(shù)時可以指定超時選項timeout，在指定的時間內(nèi)如果沒有獲得信號量則任務(wù)會超時返回。釋放信號量時，如果有任務(wù)在等待，內(nèi)核會通過查找OSEventGrp和OSEvent－Tbl［］獲得等待任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)，該任務(wù)將獲得信號量從而轉(zhuǎn)入就緒態(tài)，內(nèi)核會進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。如果獲得信號量的任務(wù)比正在執(zhí)行的任務(wù)優(yōu)先級還高，則會進(jìn)行任務(wù)切換。

2 μC／OS -III中信號量內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在μC／OS -III中，信號量類型的結(jié)構(gòu)有所變化，并沒有和μC／OS -II一樣繼續(xù)采用和“就緒表”類似的結(jié)構(gòu)，而是采用一個“等待列表”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄等待信號量的任務(wù)。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

從上述結(jié)構(gòu)可以看出，μC／OS -III的信號量結(jié)構(gòu)中新增了一個時間戳TS，用來記錄最近一次釋放信號量（或者是取消等待、刪除信號量）的時間。而等待信號量的任務(wù)列表則通過一個新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)OS＿PEND＿LIST來記錄，如圖1所示。

OS＿PEND＿LIST包括3個數(shù)據(jù)域：NbrEntries用來記錄等待列表中的條目數(shù)，也就是等待的任務(wù)數(shù)目；HeadPtr和TailPtr構(gòu)成一個雙向鏈表，指向的是OS＿PEND＿DATA類型的結(jié)構(gòu)體。OS＿PEND＿DATA是μC／OS -III內(nèi)部的一個數(shù)據(jù)類型，每當(dāng)任務(wù)因等待信號量而被掛起時，內(nèi)核就會新建一個對應(yīng)的OS＿PEND＿DATA類型的數(shù)據(jù)塊并插入到信號量的等待列表OS＿PEND＿LIST所包含的雙向鏈表中。OS＿PEND＿DATA結(jié)構(gòu)體包含指向等待任務(wù)的OS＿TCB的指針以及其他數(shù)據(jù)域。在這里，最重要的細(xì)節(jié)是，μC／OS -III是按照任務(wù)優(yōu)先級從高到低的順序來排列雙向鏈表中的OS＿PEND＿DATA數(shù)據(jù)塊的。也就是說，每當(dāng)有一個新的OS＿PEND＿DATA數(shù)據(jù)塊需要插入到雙向鏈表時（也就是任務(wù)因等待信號量而被掛起時），內(nèi)核會從鏈表頭部開始掃描各個OS＿PEND＿DATA數(shù)據(jù)塊所對應(yīng)的等待任務(wù)的優(yōu)先級（通過OS＿PEND＿DATA數(shù)據(jù)塊內(nèi)部的TCBPtr指針可以從任務(wù)控制塊內(nèi)部獲得任務(wù)的優(yōu)先級），直到找到比當(dāng)前需要插入的任務(wù)的優(yōu)先級低的任務(wù)，然后把新的OS＿PEND＿DATA數(shù)據(jù)塊插入到該位置前。如果鏈表中已有和需要插入的任務(wù)優(yōu)先級相同的任務(wù)，則新插入的任務(wù)放到優(yōu)先級相同的任務(wù)后。道理很簡單，優(yōu)先級相同，晚到的任務(wù)沒有任何理由比早到的任務(wù)先獲得信號量?；谏鲜雠帕蟹椒ǎ挥陔p向鏈表頭部的任務(wù)總是等待的任務(wù)中優(yōu)先級最高的。因此，當(dāng)用戶釋放信號量時，總是雙向鏈表頭部的任務(wù)獲得信號量，而不必再執(zhí)行“查找最高優(yōu)先級”的過程了。

圖1 信號量內(nèi)部的OS＿PEND＿LIST結(jié)構(gòu)

μC／OS-III提供的信號量相關(guān)的最常用的幾個API函數(shù)如下：

OSSemCreate（）函數(shù)和μC／OS -II中的類似，需要指定信號量的初始值，還需額外指定信號量的名稱以便于調(diào)試。

OSSemPend（）函數(shù)多了兩個參數(shù)：opt和p＿ts。p＿ts是指向時間戳的指針，當(dāng)任務(wù)獲得信號量（或者任務(wù)取消等待或信號量被刪除）返回時，內(nèi)核會把釋放信號量（或者任務(wù)取消等待或信號量被刪除）時刻的時間戳保存到該指針指向的變量中，該時間戳用戶可以計算從信號量被釋放到實際獲得信號量的時間。opt參數(shù)用來指定該等待操作是否是阻塞的。在μC／OS -II中，當(dāng)用戶對信號量執(zhí)行Pend操作而信號量無效時任務(wù)會被掛起，而μC／OS -III通過opt參數(shù)支持以“非阻塞”的方式調(diào)用。這種情況下，即使等待的信號量無效，任務(wù)也會返回，而不是被掛起，內(nèi)核會通過返回代碼告訴用戶此時信號量無效?！胺亲枞狈绞娇梢詰?yīng)用于對共享資源的訪問，比如當(dāng)某資源不可用時用戶可能并不希望任務(wù)被掛起，而是執(zhí)行其他操作，等待一段時間后再次查詢資源。但如果要實現(xiàn)任務(wù)間的同步，則必須用“阻塞”方式。這里順便提一下，μC／OS -II中提供了一個信號量查詢函數(shù)OSSemQuery（），可以用來獲得信號量內(nèi)部的計數(shù)值和等待列表，用戶可使用“查詢信號量”的辦法來實現(xiàn)類似“非阻塞”的等待方式。而在μC／OS III中，由于OSSemPend（）函數(shù)本身就支持“非阻塞”模式，因此并沒有再提供查詢信號量的函數(shù)，這也比“查詢信號量”的辦法更加高效。

OSSemPost（）同樣增加了一個opt參數(shù)，除了普通的Post操作外，還允許“廣播模式”和“不調(diào)度模式”?！皬V播模式”是指所有在等待該信號量的任務(wù)都將獲得信號量而轉(zhuǎn)入就緒態(tài)；而“不調(diào)度模式”是指該次Post操作后不進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，當(dāng)用戶連續(xù)執(zhí)行多個Post操作，只需在最后一次Post完成后才進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。前面提到，信號量的等待列表中的任務(wù)已經(jīng)按照優(yōu)先級從高到低的順序排序了，因此當(dāng)執(zhí)行OSSemPost（）操作時如果有任務(wù)在等待信號量，則位于等待列表首部的任務(wù)會獲得信號量從而轉(zhuǎn)入就緒態(tài)。當(dāng)然，如果是“廣播模式”則所有任務(wù)都被喚醒。

3 μC／OS -III中任務(wù)內(nèi)嵌的信號量

在很多應(yīng)用中，信號量被用作任務(wù)和中斷程序同步的手段。舉一個常見的例子，有一個串口設(shè)備，通過串口接收來自主機的命令并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。串口每當(dāng)收到數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生一個接收中斷，當(dāng)收到回車符時表示主機端的用戶已輸入一串命令，這時串口中斷服務(wù)例程會給另外一個串口服務(wù)任務(wù)發(fā)信號量，由該任務(wù)來處理接收到的命令并實現(xiàn)相應(yīng)功能。在這種情況下，等待該信號量的只有一個任務(wù)，而且串口中斷服務(wù)例程也清楚地知道向哪個任務(wù)發(fā)信號量。這種應(yīng)用對信號量的功能需求實際被簡化了，如果使用普通的信號量來實現(xiàn)該應(yīng)用，從功能上是完全可以的，但是在μC／OS -III中針對這種情況有更加高效的方法，那就是任務(wù)內(nèi)嵌的信號量。

在μC／OS -III中每個任務(wù)都有內(nèi)嵌的信號量，當(dāng)任務(wù)被創(chuàng)建時，任務(wù)內(nèi)嵌的信號量會被自動創(chuàng)建，且初始計數(shù)為零。在μC／OS -III中，任務(wù)內(nèi)嵌信號量相關(guān)的服務(wù)函數(shù)都是以O(shè)STaskSem？？？（）的形式開頭，以區(qū)別于普通的信號量。

任務(wù)內(nèi)嵌的信號量相關(guān)的API函數(shù)如下：

和普通的信號量相比，當(dāng)調(diào)用Pend操作時，無需指定等待的信號量，也無需指定等待的任務(wù)，因為默認(rèn)要等待信號量的就是當(dāng)前任務(wù)，而等待的就是其內(nèi)嵌的信號量。而opt參數(shù)、p＿ts參數(shù)和普通信號量的調(diào)用參數(shù)一樣。前面提到，對于普通的信號量，任務(wù)調(diào)用OSSemPend（）而被掛起時，內(nèi)核會新建一個OS＿PEND＿DATA類型的數(shù)據(jù)塊，然后填寫相關(guān)的數(shù)據(jù)域，并根據(jù)等待任務(wù)的優(yōu)先級將數(shù)據(jù)塊插入到信號量的等待列表OS＿PEND＿LIST中對應(yīng)的位置。任務(wù)內(nèi)嵌的信號量不像普通的信號量那樣擁有OS＿SEM類型結(jié)構(gòu)體的各個數(shù)據(jù)域，而是只有信號量計數(shù)值SemCtr變量。因為對于任務(wù)內(nèi)嵌的信號量，只有該任務(wù)本身能對其進(jìn)行等待操作，所以不需要普通信號量中的等待列表OS＿PEND＿LIST。當(dāng)任務(wù)調(diào)用OSTaskS－emPend（）而被掛起時，也不需要OS＿PEND＿DATA類型的數(shù)據(jù)塊，內(nèi)核要做的，除了把任務(wù)從就緒表中移除外，只需簡單地把任務(wù)OS＿TCB里的PendOn數(shù)據(jù)域置為OS＿TASK＿PEND＿ON＿TASK＿SEM 就可以了。PendOn數(shù)據(jù)域用來指示任務(wù)在等待什么，如普通信號量、消息隊列、事件標(biāo)志組等，而OS＿TASK＿PEND＿ON＿TASK＿SEM 表示任務(wù)等待的是任務(wù)內(nèi)嵌的信號量。

OSTaskSemPost（）需要傳遞一個指向OS＿TCB的指針，表示對哪個任務(wù)的內(nèi)嵌信號量進(jìn)行Post操作。opt參數(shù)同樣支持“不調(diào)度模式”，但與普通信號量的OSSemPost（）相比，沒有“廣播模式”。原因很簡單，任務(wù)內(nèi)嵌的信號量最多只有1個任務(wù)（就是該任務(wù)本身）在等待，因此不存在“廣播”的必要性。當(dāng)別的任務(wù)或者中斷服務(wù)程序調(diào)用OSTaskSemPost（）對某個任務(wù)的內(nèi)嵌信號量進(jìn)行“發(fā)信號量”操作時，如果該任務(wù)在等待其內(nèi)嵌的信號量，則內(nèi)核會把其狀態(tài)改為就緒，這比普通信號量的Post操作又進(jìn)一步簡化了。

結(jié) 語

μC／OS-III改進(jìn)了信號量的使用，用戶可以使用“非阻塞”方式等待信號量，而釋放信號量則可以選擇“廣播模式”以及“不調(diào)度模式”，提高了使用的靈活性。除此之外，每個任務(wù)都有一個內(nèi)部的信號量。和普通信號量相比，任務(wù)內(nèi)部信號量的操作簡化了，因此，在只有一個任務(wù)等待信號量的情況下使用任務(wù)內(nèi)嵌的信號量，可以大大提高通信效率。

［1］Jean J Labrosse.μC／OS -II源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)［M］.邵貝貝，等譯.北京：中國電力出版社，2001.

［2］Jean J Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS -II［M］.邵貝貝，等譯.2版.北京：北京航空航天出版社，2003.

［3］Jean J Labrosse.μC／OS -III the Real Time Kernel for the Freescale Kinetis［EB／OL］.［2012 09 -25］.http：／／micrium.com／page／downloads／os -iii＿projects.