uC/OS-n多任務(wù)切換方法研究

曹雷欣 孔祥坤

【關(guān)鍵詞】uC/OS-II任務(wù);多任務(wù)切換;信號量機制;任務(wù)TCB;Task控制塊

一、uC/OS-II的五種任務(wù)狀態(tài)的含義

（一）uC/OS-II其任務(wù)建立一般在多任務(wù)運行前，子任務(wù)也可以動態(tài)地被運行著的任務(wù)建立。如果該任務(wù)被另一個未運行任務(wù)所建，兩個任務(wù)中高優(yōu)先級任務(wù)將取得CPU的控制權(quán)。

（二）一個任務(wù)被創(chuàng)建后，可能處在以下五種狀態(tài)：

休眠態(tài)（Dormant State）指任務(wù)被調(diào)到內(nèi)存中準(zhǔn)備運行，但還沒有被uC/OS-II內(nèi)核轉(zhuǎn)讓管理權(quán)時的狀態(tài)。

任務(wù)就緒態(tài)（Ready State）指將要運行的任務(wù)準(zhǔn)備就緒，即將開始運行。

任務(wù)等待態(tài)（Waiting State）指等待一段時間然后將會被調(diào)用進入運行狀態(tài)。

中斷服務(wù)狀態(tài)（Interrupt Service State）指任務(wù)因高優(yōu)先級任務(wù)搶占被中斷執(zhí)行，被迫進入中斷服務(wù)例程的狀態(tài)。

執(zhí)行狀態(tài)（Executive state）指任務(wù)正處于運行的狀態(tài)。

二、五種任務(wù)狀態(tài)之間互相切換的方法。

（一）就緒態(tài)、運行態(tài)、等待態(tài)轉(zhuǎn)為休眠態(tài)的切換方法：

一個任務(wù)處于就緒狀態(tài)或運行狀態(tài)或等待狀態(tài)時，要想切換到休眠態(tài)需要調(diào)用OSTaskDel（）返回到休眠態(tài)。

（二）由睡眠態(tài)進入就緒態(tài)的方法

任務(wù)處于休眠態(tài)要調(diào)用OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt0函數(shù)，這樣就可以把任務(wù)交給uC/OS-II內(nèi)核管理，同時進入就緒態(tài)狀態(tài)（ Ready State），準(zhǔn)備運行。

（三）由運行態(tài)進入等待狀態(tài)的方法

任務(wù)要想進入運行態(tài)需要OSTimeDly（）或OSTimeDlyHMSMO函數(shù)方法，任務(wù)進入運行態(tài)將等待下一個優(yōu)先級更高的、達(dá)到了就緒態(tài)的任務(wù)到來，并轉(zhuǎn)入CPU控制權(quán)。

將運行態(tài)的任務(wù)變換成等待某一事件發(fā)生的等待態(tài)（WAITING State）需要調(diào)用OSSemPend（），OSMboxPend0，或OSQPend0函數(shù)。掛起任務(wù)（PendTask），由于等待事件或所需資源沒有就緒，CPU的控制權(quán)會被下一個優(yōu)先級更高的、提前進入就狀態(tài)緒態(tài)的任務(wù)搶占。

（四）由等待狀態(tài)進入就緒態(tài)

uC/OS-II系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)OSTimeTick（）發(fā)現(xiàn)處于等待態(tài)的任務(wù)等待時間片耗盡后，會切換任務(wù)進入到就緒態(tài)。之前被掛起的任務(wù)發(fā)現(xiàn)等待的事件發(fā)生了（所需資源被釋放），也將進入就緒態(tài)。這種消息可能來自系統(tǒng)的中斷服務(wù)例程或自某一個任務(wù)。

（五）運行狀態(tài)與中斷狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換

一個處于運行狀態(tài)的任務(wù)被內(nèi)部或外部的中斷了就進入了中斷服務(wù)態(tài)（ISR）。子中斷服務(wù)程序當(dāng)執(zhí)行的任務(wù)被掛起時會交還CPU的使用權(quán)。

處于中斷狀態(tài)的任務(wù)當(dāng)中斷服務(wù)子程序執(zhí)行完返回后系統(tǒng)將會調(diào)用OSlnext（）函數(shù)使優(yōu)先級最高的并進入就緒狀態(tài)的任務(wù)得以運行。

（六）就緒狀態(tài)與運行狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換

任務(wù)在處于就緒態(tài)時，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度OSStart（）函數(shù)執(zhí)行時，就進入了運行態(tài)。

一個正在運行的狀態(tài)由于某種原因它的CPU使用權(quán)被剝奪時就進入了就緒狀態(tài)。

（七）任務(wù)狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系在uC/OS-II中如圖1所示。

三、uC/OS-II多任務(wù)間的同步與通信

（一）多任務(wù)之間通信，在uC/OS-II系統(tǒng)中主要考慮了兩個問題：

Task（任務(wù)）之間可以共享資源，但在資源訪問上是一種互斥關(guān)系，是一種獨占式的共享。正在執(zhí)行的任務(wù)在沒有釋放獨占資源時，其他任務(wù)則只能等待;當(dāng)任務(wù)獲得任務(wù)執(zhí)行所需事件及資源都具備后，等待當(dāng)前任務(wù)結(jié)束會順序執(zhí)行，否則任務(wù)只能循環(huán)等待。

（二）任務(wù)間的通信

1、事件

uC/OS-II任務(wù)之間實現(xiàn)通信的媒介包括信號量、消息隊列和消息郵箱。事件之間的通信包括發(fā)送事件、請求事件，其操作就是任務(wù)把信息從一個事件發(fā)送到另一個事件上。請求事件又被叫做讀取事件，或者稱之為等待事件。

2、信號量

信號量本質(zhì)上說是事件，是uC/OS-II中實現(xiàn)任務(wù)間通信的一種機制設(shè)置。信號量的機制中有一種二值形式的信號量（兩種狀態(tài)），可以實現(xiàn)資源的獨占式共享，又叫做互斥型的信號量，其余信號量機制還有計數(shù)式信號量等。

在信號量機制的設(shè)計上，是基于打破請求保持的死鎖條件的考慮。為防止任務(wù)間因相互持有對方任務(wù)執(zhí)行所必需的資源，且繼續(xù)請求其他所需資源，造成多個任務(wù)都無法得到執(zhí)行的情況發(fā)生，因此在等待信號量的時間上規(guī)定了一個時限，即等待時限。當(dāng)任務(wù)等待時間超過規(guī)定，仍未等到這個信號，就強制命令該任務(wù)停止等待，釋放所保持資源。

在以優(yōu)先級作為調(diào)度依據(jù)的可搶占式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II的核心代碼中，優(yōu)先級的高低完全決定了任務(wù)獲得CPU使用權(quán)的先后順序。系統(tǒng)依據(jù)信號量獲得與否，決定調(diào)度任務(wù)能否被運行。因此在某些使用信號量同步機制的實時任務(wù)中，有兩個限制任務(wù)能否運行的條件：一是任務(wù)優(yōu)先級的高下：二是正在等待信號量的獲得與否。

3、消息郵箱

uC/OS-II實時操作系統(tǒng)中，多任務(wù)間采用消息郵箱傳遞信息，這種方法很好地實現(xiàn)了任務(wù)間的通信。通常，多任務(wù)系統(tǒng)的內(nèi)存中有共享存儲區(qū)，以作消息緩沖。對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存取操作，可以實現(xiàn)任務(wù)間的消息傳遞。消息郵箱的數(shù)據(jù)類型是存取消息的指針型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4、消息隊列

消息郵箱可以在設(shè)計的時候設(shè)計為多個也可以為單個。多消息郵箱以指針數(shù)組的形式實現(xiàn)，一個個數(shù)組元素里存放著消息緩沖區(qū)指針的數(shù)組型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就是所謂的消息隊列，消息緩沖區(qū)以指針數(shù)組的方式一次實現(xiàn)多個消息傳遞。

四、uC/OS-II的多任務(wù)的管理與控制

（一）任務(wù)就緒表

uc/OS-II總是運行進入就緒狀態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的那一個。所有任務(wù)的就緒態(tài)都存放于在一個叫就緒表（ Ready List）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。就緒表是提供給任務(wù)調(diào)度使用的，無需用戶干預(yù)，系統(tǒng)會從若干個不同優(yōu)先級的任務(wù)中找出相應(yīng)就緒的任務(wù)進入運行狀態(tài)。

（二）就緒表的構(gòu)成

就緒表由OSRdyGrp和OSRdyTbl[]構(gòu)成，在OSRdyGrp中，任務(wù)按優(yōu)先級分組，8個任務(wù)一組，當(dāng)前系統(tǒng)最多有64個優(yōu)先級，所以O(shè)SRdyGrp有8個有效位，一共可以對應(yīng)8組任務(wù)。每一位對應(yīng)一組任務(wù)，第O位對應(yīng)的就是優(yōu)先級0-7的任務(wù)，這8個任務(wù)之間是“或”的關(guān)系，只要一個任務(wù)處于就緒狀態(tài)，那么OSRdyGrp的第O位就是1，如下圖2所示。

（三）事件的等待任務(wù)列表

uC/OS-II實現(xiàn)事件管理的功能有兩個：一是對等待該事件或資源的所有任務(wù)，依據(jù)其到來的先后，對任務(wù)進行記錄和排序;二是對正在等待執(zhí)行的所有任務(wù)，允許其在一定時間內(nèi)等待，而不是一直等待。uC/OS-II采用了與任務(wù)就緒表類似的方法實現(xiàn)對于等待事件任務(wù)的記錄和排序，定義一個8位整型（ INT8U）有記錄功能的數(shù)組OSEventTbl[]，作為等待任務(wù)的記錄表。uC/OS-II在事件機制上，還定義另一個8位整型（ INT8U）的變量OSEventGrp，作為等待任務(wù)記錄表中的任務(wù)組。

任務(wù)控制塊（ TCB）的成員函數(shù)OSTCBDly可以記錄任務(wù)的等待時件，在下個時鐘節(jié)拍到來時，中斷服務(wù)程序?qū)詣舆M行計數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)超時任務(wù)時，TCB則將會把記錄從事件等待任務(wù)表中刪除，并重新恢復(fù)任務(wù)進入就緒態(tài)。

（四）任務(wù)控制塊OS-TCB與任務(wù)棧OS_STK

OS-TCB這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就用來描述任務(wù)所具有的某些屬性的，uC/OS-II將會用它來對各個任務(wù)進行處理：

1、當(dāng)前任務(wù)被建立時，任務(wù)控制塊將被初始化;

2、當(dāng)前任務(wù)CPU使用權(quán)被搶占后，TCB將會保存任務(wù)的狀態(tài);

3、當(dāng)前任務(wù)重新獲得CPU使用權(quán)時，為了確保任務(wù)能夠從中斷之時繼續(xù)執(zhí)行下去，TCB會把保存的數(shù)據(jù)裝載到要執(zhí)行任務(wù)的堆棧中進行恢復(fù)。

由于OS_TCB只有在任務(wù)創(chuàng)建之后才有意義，所以其全部駐留在RAM當(dāng)中。

任務(wù)堆棧（OS_STK）在uC/OS-II中的作用是保存任務(wù)運行時涉及到的資源，例如使用到的寄存器、調(diào)用這個任務(wù)的返回地址，或者是任務(wù)內(nèi)部函數(shù)嵌套時用到的返回地址保存參數(shù)等。

（五）事件控制塊ECB

uC/OS-II中有關(guān)任務(wù)調(diào)度技術(shù)上，設(shè)置了一個事件控制塊（ ECB）。ECB的能夠把事件的等待任務(wù)表和與事件有關(guān)的信息捆綁在一起，并定義為事件。ECB這種結(jié)構(gòu)是用來存儲諸如信號量、郵箱（消息郵箱）和消息隊列等事件。

從OSEventTbI[OS_EVENT_TBL_SIZE]其定義來看，其實際為指針數(shù)組，其數(shù)據(jù)類型和任務(wù)就緒表在定義格式上頗似。程序中，所有任務(wù)按照其優(yōu)先級高低，各自在表中占據(jù)一個二進制位，以二值（1或者0）的形式來記錄。該位標(biāo)記對應(yīng)的任務(wù)是否是正在等待事件的任務(wù)，標(biāo)記任務(wù)狀態(tài)的這張表又被稱為任務(wù)等待表。

1、事件控制塊的基本函數(shù)操作

TCB基本操作函數(shù)，其函數(shù)方法，都定義在內(nèi)核文件OS_CORE.C中，供信號量事件，消息郵箱事件，消息隊列事件來調(diào)用。

（1）事件控制塊的初始化函數(shù)

#if （OS_Q_EN&&（OS_MAX_QS>=2））11 0S_MBOX_EN ll OS_SEM_EN//初始化條件

void OSEventWaitListlnit （OS_EVENT *PREVENT）//指向TCB的指針OS_EVENT *PREVENT

該函數(shù)在任務(wù)調(diào)用OS***Create0函數(shù)時進行事件創(chuàng)建，被OS****Create0函數(shù)作為子函數(shù)調(diào)用。在此指代：Sem，Mutex，Mbox，Q。

（2）切換Task進入等待狀態(tài)的函數(shù)

需要把一個任務(wù)切換成等待狀態(tài)，系統(tǒng)會調(diào)用OSEventTaskWait0功能函數(shù)。

#if （OS_Q_EN&&（OS_MAX_QS>=2））11 0S_MBOX_EN|| OS_SEM_EN

void OSEventTaskWait （OS_EVENT*pevent）

上邊的OSEventTaskWait（）函數(shù)，將在任務(wù)調(diào)用函數(shù)OS***Pend0發(fā)送事件時，被OS***Pend0來調(diào)用。

（3）切換Task進入正在等待就緒狀態(tài)的函數(shù)

在當(dāng)前任務(wù)中，調(diào)用OSEventTaskRdy0函數(shù)把該任務(wù)在Task等待表中所置位清0，等切換出等待狀態(tài)后，任務(wù)就緒表中把該任務(wù)所在的對應(yīng)，設(shè)置為1，新一輪的任務(wù)的調(diào)度工作將啟動。

（六）空事件控制塊鏈表

空事件控制塊鏈表其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上，與管理任務(wù)控制塊的實現(xiàn)方法頗有相似，uC/OS-II把事件控制塊也組織成為兩條鏈表來管理。

uC/OS-II在系統(tǒng)完成初始化后，會在初始化函數(shù)OSlnit0中，按照應(yīng)用程序使用事件總數(shù)的最大值，創(chuàng)建OS_MAX_EVENTS個空事件塊，并以成員OSEventPtr作為鏈接指針組成單向鏈表。

五、結(jié)束語

本文簡要介紹了uG/OS-II的多任務(wù)切換方法和uG/OS-II的任務(wù)之間的通信機制。本文初步的對uC/OS-II的初步探究揭示了實時操作系統(tǒng)（ RTOS）的多任務(wù)的一般實現(xiàn)途徑，將對研究其他操作系統(tǒng)的多任務(wù)的實現(xiàn)和管理機制的研究有一定的借鑒作用。