浅析μC/OS-ⅡAPI的设计思想及实现机制(2) 子程序

我是MT

邮箱是μC/OS-II中另一种通讯机制，它可以使一个任务或者中断服务子程序向另一个任务发送一个指针型的变量。该指针指向一个包含了特定“消息”的数据结构。为了在μC/OS-II中使用邮箱，必须将OS_CFG.H中的OS_MBOX_EN常数置为1。
消息队列是μC/OS-II中另一种通讯机制，它可以使一个任务或者中断服务子程序向另一个任务发送以指针方式定义的变量。因具体的应用有所不同，每个指针指向的数据结构变量也有所不同。为了使用μC/OS-II的消息队列功能，需要在OS_CFG.H 文件中，将OS_Q_EN常数设置为1，并且通过常数OS_MAX_QS来决定μC/OS-II支持的最多消息队列数。
μC/OS-Ⅱ提供一系列API函数供用户调用，实现各个任务之间的通信和同步功能。下面以信号量为例说明各个API的实现。
μC/OS-II提供了5个对信号量进行操作的函数。它们是：OSSemCreate()，OSSemPend()，OSSemPost()，OSSemAccept()和OSSemQuery()函数。图 F6.5说明了任务、中断服务子程序和信号量之间的关系。图中用钥匙或者旗帜的符号来表示信号量：如果信号量用于对共享资源的访问，那么信号量就用钥匙符号。符号旁边的数字N代表可用资源数。对于二值信号量，该值就是1;如果信号量用于表示某事件的发生，那么就用旗帜符号。这时的数字N代表事件已经发生的次数。从图 F6.5中可以看出OSSemPost()函数可以由任务或者中断服务子程序调用，而OSSemPend()和OSSemQuery()函数只能有任务程序调用。
3.1建立一个信号量, OSSemCreate()
OS_EVENT *OSSemCreate (INT16U cnt)
函数参数传递的是要创建的信号量的初始值，在函数内部对任务控制块进行初始化。OSSemCreate()返回给调用函数一个指向任务控制块的指针。以后对信号量的所有操作，如OSSemPend(), OSSemPost(), OSSemAccept()和OSSemQuery()都是通过该指针完成的。因此，这个指针实际上就是该信号量的句柄。如果系统中没有可用的任务控制块，OSSemCreate()将返回一个NULL指针。
值得注意的是，在μC/OS-II中，信号量一旦建立就不能删除了，因此也就不可能将一个已分配的任务控制块再放回到空闲ECB链表中。如果有任务正在等待某个信号量，或者某任务的运行依赖于某信号量的出现时，删除该任务是很危险的。
3.2等待一个信号量, OSSemPend()
void OSSemPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err)
它首先检查指针pevent所指的任务控制块是否是由OSSemCreate()建立的。如果信号量当前是可用的(信号量的计数值大于0)，将信号量的计数值减1，然后函数将“无错”错误代码返回给它的调用函数。显然，如果正在等待信号量，这时的输出正是我们所希望的，也是运行OSSemPend()函数最快的路径。
3.3发送一个信号量, OSSemPost()
INT8U OSSemPost (OS_EVENT *pevent)
它首先检查参数指针pevent指向的任务控制块是否是OSSemCreate()函数建立的，接着检查是否有任务在等待该信号量。如果该任务控制块中的.OSEventGrp域不是0，说明有任务正在等待该信号量。这时，就要调用函数OSEventTaskRdy()，使一个任务进入就绪状态，把其中的最高优先级任务从等待任务列表中删除并使它进入就绪状态。然后，调用OSSched()任务调度函数检查该任务是否是系统中的最高优先级的就绪任务。如果是，这时就要进行任务切换[当OSSemPost()函数是在任务中调用的]，准备执行该就绪任务。如果不是，OSSched()直接返回，调用OSSemPost()的任务得以继续执行。如果这时没有任务在等待该信号量，该信号量的计数值就简单地加1。
上面是由任务调用OSSemPost()时的情况。当中断服务子程序调用该函数时，不会发生上面的任务切换。如果需要，任务切换要等到中断嵌套的最外层中断服务子程序调用OSIntExit()函数后才能进行。
3.4无等待地请求一个信号量, OSSemAccept()
INT16U OSSemAccept (OS_EVENT *pevent)
当一个任务请求一个信号量时，如果该信号量暂时无效，也可以让该任务简单地返回，而不是进入睡眠等待状态。这种情况下的操作是由OSSemAccept()函数完成的。该函数在最开始也是检查参数指针pevent指向的事件控制块是否是由OSSemCreate()函数建立的，接着从该信号量的事件控制块中取出当前计数值，并检查该信号量是否有效(计数值是否为非0值)。如果有效，则将信号量的计数值减1，然后将信号量的原有计数值返回给调用函数。调用函数需要对该返回值进行检查。如果该值是0，说明该信号量无效。如果该值大于0，说明该信号量有效，同时该值也暗示着该信号量当前可用的资源数。应该注意的是，这些可用资源中，已经被该调用函数自身占用了一个(该计数值已经被减1)。中断服务子程序要请求信号量时，只能用OSSemAccept()而不能用OSSemPend()，因为中断服务子程序是不允许等待的。
3.5查询一个信号量的当前状态, OSSemQuery()
INT8U OSSemQuery (OS_EVENT *pevent, OS_SEM_DATA *pdata)
在应用程序中，用户随时可以调用函数OSSemQuery()来查询一个信号量的当前状态。该函数有两个参数：一个是指向信号量对应事件控制块的指针pevent。该指针是在生产信号量时，由OSSemCreate()函数返回的;另一个是指向用于记录信号量信息的数据结构OS_SEM_DATA(见uCOS_II.H)的指针pdata。因此，调用该函数前，用户必须先定义该结构变量，用于存储信号量的有关信息。在这里，之所以使用一个新的数据结构的原因在于，调用函数应该只关心那些和特定信号量有关的信息，而不是象OS_EVENT数据结构包含的很全面的信息。该数据结构只包含信号量计数值.OSCnt和等待任务列表.OSEventTbl[]、.OSEventGrp，而OS_EVENT中还包含了另外的两个域.OSEventType和.OSEventPtr。
4. 时间类API的设计思路和实现机制
μC/OS-Ⅱ(其它内核也一样)要求用户提供定时中断来实现延时与超时控制等功能。这个定时中断叫做时钟节拍，它应该每秒发生10至100次。时钟节拍的实际频率是由用户的应用程序决定的。时钟节拍的频率越高，系统的负荷就越重。
下面主要讲述五个与时钟节拍有关的API函数。
4.1 任务延时函数，OSTimeDly()
void OSTimeDly (INT16U ticks)
这应该程序员们调用最多的一个函数了，这个函数完成功能很简单，就是先挂起当起当前任务，然后进行任务切换，在指定的时间到来之后，将当前任务恢复为就绪状态，但是并不一定运行，如果恢复后是优先级最高就绪任务的话，那么运行之。简单点说，就是可以任务延时一定时间后再次执行它，或者说，暂时放弃CPU的使用权。一个任务可以不显式的调用这些可以导致放弃CPU使用权的API，但那样多任务性能会大大降低，因为此时仅仅依靠时钟机制在进行任务切换。一个好的任务应该在完成一些操作主动放弃使用权。
4.2 按时分秒延时函数 OSTimeDlyHMSM()
INT8U OSTimeDlyHMSM (INT8U hours, INT8U minutes, INT8U seconds, INT16U milli)
OSTimeDly()虽然是一个非常有用的函数，但用户的应用程序需要知道延时时间对应的时钟节拍的数目。增加了OSTimeDlyHMSM()函数后，用户就可以按小时(H)、分(M)、秒(S)和毫秒(m)来定义时间了，这样会显得更自然些。与OSTimeDly()一样，调用OSTimeDlyHMSM()函数也会使μC/OS-Ⅱ进行一次任务调度，并且执行下一个优先级最高的就绪态任务。任务调用OSTimeDlyHMSM()后，一旦规定的时间期满或者有其它的任务通过调用OSTimeDlyResume()取消了延时，它就会马上处于就绪态。同样，只有当该任务在所有就绪态任务中具有最高的优先级时，它才会立即运行。
4.3 让处在延时期的任务结束延时，OSTimeDlyResume()
INT8U OSTimeDlyResume (INT8U prio)
μC/OS-Ⅱ允许用户结束延时正处于延时期的任务。延时的任务可以不等待延时期满，而是通过其它任务取消延时来使自己处于就绪态。这可以通过调用OSTimeDlyResume()和指定要恢复的任务的优先级来完成。实际上，OSTimeDlyResume()也可以唤醒正在等待事件的任务，虽然这一点并没有提到过。在这种情况下，等待事件发生的任务会考虑是否终止等待事件。
4.4 系统时间，OSTimeGet()和OSTimeSet()
INT32U OSTimeGet (void)
void OSTimeSet (INT32U ticks)
用户可以通过调用OSTimeGet()来获得该计数器的当前值。也可以通过调用OSTimeSet()来改变该计数器的值。注意，在访问OSTime的时候中断是关掉的。这是因为在大多数8位处理器上增加和拷贝一个32位的数都需要数条指令，这些指令一般都需要一次执行完毕，而不能被中断等因素打断。
5. 临界区类API的设计思路和实现机制
和其它内核一样，μC/OS-Ⅱ为了处理临界段代码需要关中断，处理完毕后再开中断。这使得μC/OS-Ⅱ能够避免同时有其它任务或中断服务进入临界段代码。
μC/OS-Ⅱ定义两个宏(macros)来关中断和开中断，以便避开不同C编译器厂商选择不同的方法来处理关中断和开中断。μC/OS-Ⅱ中的这两个宏调用分别是：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。因为这两个宏的定义取决于所用的微处理器，故在文件OS_CPU.H中可以找到相应宏定义。每种微处理器都有自己的OS_CPU.H文件。
5.1 OS_ENTER_CRITICAL宏
很多人都以为它是个函数，其实不然，仔细分析一下OS_CPU.H文件，它和下面马上要谈到的OS_EXIT_CRITICAL都是宏。他们都是涉及特定CPU的实现。一般都被替换为一条或者几条嵌入式汇编代码。由于系统希望向上层程序员隐藏内部实现，故而一般都宣称执行此条指令后系统进入临界区。其实，它就是关个中断而已。这样，只要任务不主动放弃CPU使用权，别的任务就没有占用CPU的机会了，相对这个任务而言，它就是独占了。所以说进入临界区了。这个宏能少用还是少用，因为它会破坏系统的一些服务，尤其是时间服务。并使系统对外界响应性能降低。
5.2 OS_EXIT_CRITICAL宏
这个是和上面介绍的宏配套使用另一个宏，它在系统手册里的说明是退出临界区。其实它就是重新开中断。需要注意的是，它必须和上面的宏成对出现，否则会带来意想不到的后果。最坏的情况下，系统会崩溃。我们推荐程序员们尽量少使用这两个宏调用，因为他们的确会破坏系统的多任务性能。
6. 结束语
通过对μC/OS-II中这几类API的简单分析，我们可以看出μC/OS-II作为一个多任务、抢占式嵌入式操作系统，其API都是为多任务及其多任务之间的调度和通信的实现来设计的。μC/OS-II提供的API简洁而灵活，使用户在设计实际应用时能够很方便的利用系统提供的各种调用，充分发挥μC/OS-II实时、高效的优点。