引言
μC／OS是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。在多任務(wù)的實(shí)時(shí)內(nèi)核中，信號(hào)量是常用的機(jī)制，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的訪問(wèn)、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(hào)量等最基本的服務(wù)，而在μC／OS—III中，對(duì)信號(hào)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(hào)量，用戶程序無(wú)需建立信號(hào)量便可和任務(wù)直接通信，比普通信號(hào)量更加簡(jiǎn)單高效。本文將分析對(duì)比μC／OS—II和μC／OS—III中信號(hào)量?jī)?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(hào)量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)
在μC／OS—II中，信號(hào)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(hào)量相關(guān)的最重要的就是OSEventCnt、OSEventGrp和OSEventTbl[]。OSEventCnt記錄的是信號(hào)量的有效值。OSEventTbl[]是一個(gè)位映射表，以64級(jí)優(yōu)先級(jí)為例，OSEventTbl[]將是一個(gè)8×8的位映射表，如果某優(yōu)先級(jí)下有任務(wù)在等待該事件，則OSEventTbl[]中對(duì)應(yīng)的位將被置1。為了加快查詢過(guò)程，又將64級(jí)優(yōu)先級(jí)分為8組，用一個(gè)8位的整型OSEventGrp來(lái)記錄每一組的狀態(tài)。可見(jiàn)，OSEventGrp和OSEve ntTbl[]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(guò)程是一樣的，都是通過(guò)“掩碼表”來(lái)快速得到列表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。
μC／OS—II提供的信號(hào)量相關(guān)的最常用的幾個(gè)API函數(shù)如下：

在使用信號(hào)量前必須先新建一個(gè)信號(hào)量，并指定其初始值。當(dāng)信號(hào)量用于對(duì)共享資源的訪問(wèn)時(shí)，該值應(yīng)初始化為實(shí)際可用的共享資源數(shù)；當(dāng)信號(hào)量用來(lái)實(shí)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(hào)量的OSSemPend()函數(shù)時(shí)可以指定超時(shí)選項(xiàng)timeout，在指定的時(shí)間內(nèi)如果沒(méi)有獲得信號(hào)量則任務(wù)會(huì)超時(shí)返回。釋放信號(hào)量時(shí)，如果有任務(wù)在等待，內(nèi)核會(huì)通過(guò)查找OSEventGrp和OSEventTbl[]獲得等待任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，該任務(wù)將獲得信號(hào)量從而轉(zhuǎn)入就緒態(tài)，內(nèi)核會(huì)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。如果獲得信號(hào)量的任務(wù)比正在執(zhí)行的任務(wù)優(yōu)先級(jí)還高，則會(huì)進(jìn)行任務(wù)切換。

2 μC／OS-Ⅲ中信號(hào)量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)
在μC／OS—III中，信號(hào)量類型的結(jié)構(gòu)有所變化，并沒(méi)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(gè)“等待列表”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)記錄等待信號(hào)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(hào)量結(jié)構(gòu)中新增了一個(gè)時(shí)間戳TS，用來(lái)記錄最近一次釋放信號(hào)量(或者是取消等待、刪除信號(hào)量)的時(shí)間。而等待信號(hào)量的任務(wù)列表則通過(guò)一個(gè)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)OS_PEND_LIST來(lái)記錄，如圖1所示。

OS_PEND_LIST包括3個(gè)數(shù)據(jù)域：NbrEntries用來(lái)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)類型，每當(dāng)任務(wù)因等待信號(hào)量而被掛起時(shí)，內(nèi)核就會(huì)新建一個(gè)對(duì)應(yīng)的OS_PEND_DATA類型的數(shù)據(jù)塊并插入到信號(hào)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(jí)從高到低的順序來(lái)排列雙向鏈表中的OS_PE ND_DATA數(shù)據(jù)塊的。也就是說(shuō)，每當(dāng)有一個(gè)新的OS_PEND_DATA數(shù)據(jù)塊需要插入到雙向鏈表時(shí)(也就是任務(wù)因等待信號(hào)量而被掛起時(shí))，內(nèi)核會(huì)從鏈表頭部開(kāi)始掃描各個(gè)OSPEND_DATA數(shù)據(jù)塊所對(duì)應(yīng)的等待任務(wù)的優(yōu)先級(jí)(通過(guò)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(jí))，直到找到比當(dāng)前需要插入的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)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(jí)相同的任務(wù)，則新插入的任務(wù)放到優(yōu)先級(jí)相同的任務(wù)后。道理很簡(jiǎn)單，優(yōu)先級(jí)相同，晚到的任務(wù)沒(méi)有任何理由比早到的任務(wù)先獲得信號(hào)量。基于上述排列方法，位于雙向鏈表頭部的任務(wù)總是等待的任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的。因此，當(dāng)用戶釋放信號(hào)量時(shí)，總是雙向鏈表頭部的任務(wù)獲得信號(hào)量，而不必再執(zhí)行“查找最高優(yōu)先級(jí)”的過(guò)程了。
μC／OS—III提供的信號(hào)量相關(guān)的最常用的幾個(gè)API函數(shù)如下：

OSSemCreate()函數(shù)和μC／OS—II中的類似，需要指定信號(hào)量的初始值，還需額外指定信號(hào)量的名稱以便于調(diào)試。
OSSemPend()函數(shù)多了兩個(gè)參數(shù)：opt和p_ts。p_ts是指向時(shí)間戳的指針，當(dāng)任務(wù)獲得信號(hào)量(或者任務(wù)取消等待或信號(hào)量被刪除)返回時(shí)，內(nèi)核會(huì)把釋放信號(hào)量(或者任務(wù)取消等待或信號(hào)量被刪除)時(shí)刻的時(shí)間戳保存到該指針指向的變量中，該時(shí)間戳用戶可以計(jì)算從信號(hào)量被釋放到實(shí)際獲得信號(hào)量的時(shí)間。opt參數(shù)用來(lái)指定該等待操作是否是阻塞的。在μC／OS—II中，當(dāng)用戶對(duì)信號(hào)量執(zhí)行Pend操作而信號(hào)量無(wú)效時(shí)任務(wù)會(huì)被掛起，而μC／OS—III通過(guò)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(hào)量無(wú)效，任務(wù)也會(huì)返回，而不是被掛起，內(nèi)核會(huì)通過(guò)返回代碼告訴用戶此時(shí)信號(hào)量無(wú)效。“非阻塞”方式可以應(yīng)用于對(duì)共享資源的訪問(wèn)，比如當(dāng)某資源不可用時(shí)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(shí)間后再次查詢資源。但如果要實(shí)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(gè)信號(hào)量查詢函數(shù)OSSemQuery()，可以用來(lái)獲得信號(hào)量?jī)?nèi)部的計(jì)數(shù)值和等待列表，用戶可使用“查詢信號(hào)量”的辦法來(lái)實(shí)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(méi)有再提供查詢信號(hào)量的函數(shù)，這也比“查詢信號(hào)量”的辦法更加高效。
OSSemPost()同樣增加了一個(gè)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”。“廣播模式”是指所有在等待該信號(hào)量的任務(wù)都將獲得信號(hào)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(gè)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(hào)量的等待列表中的任務(wù)已經(jīng)按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序排序了，因此當(dāng)執(zhí)行OSSem Post()操作時(shí)如果有任務(wù)在等待信號(hào)量，則位于等待列表首部的任務(wù)會(huì)獲得信號(hào)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(hào)量
在很多應(yīng)用中，信號(hào)量被用作任務(wù)和中斷程序同步的手段。舉一個(gè)常見(jiàn)的例子，有一個(gè)串口設(shè)備，通過(guò)串口接收來(lái)自主機(jī)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)接收中斷，當(dāng)收到回車符時(shí)表示主機(jī)端的用戶已輸入一串命令，這時(shí)串口中斷服務(wù)例程會(huì)給另外一個(gè)串口服務(wù)任務(wù)發(fā)信號(hào)量，由該任務(wù)來(lái)處理接收到的命令并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。在這種情況下，等待該信號(hào)量的只有一個(gè)任務(wù)，而且串口中斷服務(wù)例程也清楚地知道向哪個(gè)任務(wù)發(fā)信號(hào)量。這種應(yīng)用對(duì)信號(hào)量的功能需求實(shí)際被簡(jiǎn)化了，如果使用普通的信號(hào)量來(lái)實(shí)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(duì)這種情況有更加高效的方法，那就是任務(wù)內(nèi)嵌的信號(hào)量。
在μC／OS—III中每個(gè)任務(wù)都有內(nèi)嵌的信號(hào)量，當(dāng)任務(wù)被創(chuàng)建時(shí)，任務(wù)內(nèi)嵌的信號(hào)量會(huì)被自動(dòng)創(chuàng)建，且初始計(jì)數(shù)為零。在μC／OS—III中，任務(wù)內(nèi)嵌信號(hào)量相關(guān)的服務(wù)函數(shù)都是以O(shè)STaskSem???()的形式開(kāi)頭，以區(qū)別于普通的信號(hào)量。
任務(wù)內(nèi)嵌的信號(hào)量相關(guān)的API函數(shù)如下：

和普通的信號(hào)量相比，當(dāng)調(diào)用Pend操作時(shí)，無(wú)需指定等待的信號(hào)量，也無(wú)需指定等待的任務(wù)，因?yàn)槟J(rèn)要等待信號(hào)量的就是當(dāng)前任務(wù)，而等待的就是其內(nèi)嵌的信號(hào)量。而opt參數(shù)、p_ts參數(shù)和普通信號(hào)量的調(diào)用參數(shù)一樣。前面提到，對(duì)于普通的信號(hào)量，任務(wù)調(diào)用OSSemPend()而被掛起時(shí)，內(nèi)核會(huì)新建一個(gè)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(jí)將數(shù)據(jù)塊插入到信號(hào)量的等待列表OS_PEND_LIST中對(duì)應(yīng)的位置。任務(wù)內(nèi)嵌的信號(hào)量不像普通的信號(hào)量那樣擁有OS_SEM類型結(jié)構(gòu)體的各個(gè)數(shù)據(jù)域，而是只有信號(hào)量計(jì)數(shù)值SemCtr變量。因?yàn)閷?duì)于任務(wù)內(nèi)嵌的信號(hào)量，只有該任務(wù)本身能對(duì)其進(jìn)行等待操作，所以不需要普通信號(hào)量中的等待列表OS_PEND_LIST。當(dāng)任務(wù)調(diào)用OSTaskSemPend()而被掛起時(shí)，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(jiǎn)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(lái)指示任務(wù)在等待什么，如普通信號(hào)量、消息隊(duì)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(hào)量。
OSTaskSemPost()需要傳遞一個(gè)指向OS_TCB的指針，表示對(duì)哪個(gè)任務(wù)的內(nèi)嵌信號(hào)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(hào)量的OSSemPost()相比，沒(méi)有“廣播模式”。原因很簡(jiǎn)單，任務(wù)內(nèi)嵌的信號(hào)量最多只有1個(gè)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(duì)某個(gè)任務(wù)的內(nèi)嵌信號(hào)量進(jìn)行“發(fā)信號(hào)量”操作時(shí)，如果該任務(wù)在等待其內(nèi)嵌的信號(hào)量，則內(nèi)核會(huì)把其狀態(tài)改為就緒，這比普通信號(hào)量的Post操作又進(jìn)一步簡(jiǎn)化了。

結(jié)語(yǔ)
μC／OS—III改進(jìn)了信號(hào)量的使用，用戶可以使用“非阻塞”方式等待信號(hào)量，而釋放信號(hào)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(gè)任務(wù)都有一個(gè)內(nèi)部的信號(hào)量。和普通信號(hào)量相比，任務(wù)內(nèi)部信號(hào)量的操作簡(jiǎn)化了，因此，在只有一個(gè)任務(wù)等待信號(hào)量的情況下使用任務(wù)內(nèi)嵌的信號(hào)量，可以大大提高通信效率。