1.RTOS的特點(diǎn)

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最重要的軟件，類似管家，把不同的軟件任務(wù)安排給硬件資源去執(zhí)行。為保證服務(wù)質(zhì)量，需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行合理安排，訪問硬件也進(jìn)行一定的安全維護(hù)，保證硬件資源不閑置，不爭搶沖突，但允許合理的插隊(duì)。

RTOS的專業(yè)的描述：

• 執(zhí)行時(shí)間的可確定性是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基本特性。采用合理的算法和策略，為多個(gè)任務(wù)合理地分配資源，以滿足每個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。
• 多任務(wù)搶占式是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基本特性。多個(gè)任務(wù)共同分享硬件系統(tǒng)資源，每個(gè)任務(wù)間彼此獨(dú)立，根據(jù)任務(wù)的重要程度給任務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高的任務(wù)越容易得到 CPU 的使用權(quán)，保證任務(wù)的實(shí)時(shí)性和充分地使用硬件資源。
• 對(duì)穩(wěn)定性和可靠性要求髙。

要成為老司機(jī)，首先要考駕照，學(xué)習(xí)如何開車，至于汽車本身各系統(tǒng)工作原理，內(nèi)部構(gòu)造暫且不用關(guān)注;能上路，在不同路況安全駕駛。達(dá)到一定水平了再去深究車的部件組成、故障排查?；赗TOS的軟件開發(fā)，不僅要明白操作系統(tǒng)接口的作用，還要理解其組合的意義。

本文是關(guān)于軟件開發(fā)的理論，作為有一定RTOS基礎(chǔ)的參考，授人以漁。對(duì)任務(wù)、公共函數(shù)、中斷服務(wù)的設(shè)計(jì)，以及行為同步、資源同步、數(shù)據(jù)通信的思想和方法進(jìn)行說明，基本涵蓋RTOS軟件開發(fā)的全部理論。更多信息請(qǐng)關(guān)注微信公眾號(hào) 嵌入式系統(tǒng)。

2.任務(wù)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是從需求分析開始，在軟件角度，對(duì)具體功能進(jìn)行任務(wù)劃分，是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。任務(wù)(task或thread)劃分是否合理將直接影響軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量、執(zhí)行效率和可擴(kuò)展性。

2.1 任務(wù)的特性

“任務(wù)”的狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，簡化就是有運(yùn)行和等待，而且阻塞等待是必須的，更多狀態(tài)可以參考操作系統(tǒng)基礎(chǔ)。多個(gè)任務(wù)宏觀上是并發(fā)運(yùn)行，其實(shí)對(duì)單CPU是分時(shí)復(fù)用，每個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)獨(dú)立的占有系統(tǒng)資，這也導(dǎo)致任務(wù)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠惒叫浴?/p>

好比三口之家只有一個(gè)衛(wèi)生間，多人分時(shí)使用，不需要三人就配三個(gè)衛(wèi)生間，每人使用時(shí)完全享有衛(wèi)生間的設(shè)施，其他人有需要時(shí)，得排隊(duì)或者看家庭地位強(qiáng)迫插隊(duì)。

在對(duì)一個(gè)具體的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)劃分時(shí)，不同的角度有不同的方案，一般先考慮需求指標(biāo)和硬件資源限制。

• 實(shí)時(shí)性指標(biāo)：在最壞的情況下，系統(tǒng)中對(duì)時(shí)間要求高的需求能否實(shí)現(xiàn)。
• 任務(wù)數(shù)目合理：任務(wù)數(shù)目多，每個(gè)任務(wù)只實(shí)現(xiàn)單一功能，任務(wù)的設(shè)計(jì)簡單;但任務(wù)的調(diào)度操作、任務(wù)之間的通信活動(dòng)增加，資源開銷大，運(yùn)行效率低。一般按功能類型、時(shí)間要求合理地合并一些任務(wù)。
• 降低資源需求：合理劃分任務(wù)，減少任務(wù)之間的同步和通信需求，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而降低對(duì)硬件資源的需求。

2.2 任務(wù)劃分的方法

為了使任務(wù)劃分合理，通常采用以下方法。

2.2.1 設(shè)備依賴性任務(wù)

系統(tǒng)任務(wù)必定是為了實(shí)現(xiàn)某些功能，這個(gè)功能是主動(dòng)執(zhí)行，如讀取信息、控制外設(shè)，還是被動(dòng)執(zhí)行，如接收按鍵事件。

根據(jù)這個(gè)特性，任務(wù)可分為“主動(dòng)型”和“被動(dòng)型”兩種。主動(dòng)型任務(wù)與其他任務(wù)通過通信機(jī)制向該任務(wù)發(fā)出執(zhí)行請(qǐng)求執(zhí)行，被動(dòng)型任務(wù)通常是一個(gè)中斷服務(wù)程序(ISR) 和一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的任務(wù)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，也可以把多個(gè)同類型外設(shè)的檢測合并到一個(gè)任務(wù)。

2.2.2 關(guān)鍵任務(wù)

“關(guān)鍵性”是指某種功能在系統(tǒng)中的重要性，如果該功能異常將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，這種關(guān)鍵任務(wù)必須優(yōu)先得到運(yùn)行機(jī)會(huì)，而且其檢測事件、消息隊(duì)列不能遺漏，特殊情況下控制時(shí)間也要及時(shí)響應(yīng)。這種任務(wù)得提高優(yōu)先級(jí)來保證運(yùn)行，而且其任務(wù)功能必須盡可能與其他功能剝離，獨(dú)立成為一個(gè)任務(wù)，不能因?yàn)槿蝿?wù)里面的其他功能阻塞或者異常，影響關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 緊迫任務(wù)

“緊迫性”是指某種功能必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到運(yùn)行權(quán)(及時(shí)運(yùn)行)，這類功能有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求。大多數(shù)緊迫任務(wù)是由異步事件觸發(fā)的，這種緊迫任務(wù)安排在相應(yīng)的中斷服務(wù)中，或者優(yōu)先級(jí)盡可能髙的任務(wù)。要達(dá)到“按時(shí)完成”的目的，必須使“緊迫任務(wù)”需要的執(zhí)行時(shí)間盡可能短。盡可能剝離“不太緊迫”的操作，只剩下“必須立刻執(zhí)行”的操作，將被剝離的“不太緊迫”的操作另外封裝為一個(gè)任務(wù)。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理任務(wù)

用戶應(yīng)用程序中消耗機(jī)時(shí)最多的一般是各種數(shù)據(jù)處理單元，而且通常不只一個(gè)，它們分別為不同的功能服務(wù)，這些單元?jiǎng)澐殖鰜恚謩e包裝成不同的任務(wù)。由于這類任務(wù)需要消耗較多機(jī)時(shí)，所以優(yōu)先級(jí)必須較低。多個(gè)不同的數(shù)據(jù)處理任務(wù)時(shí)，可安排相同的優(yōu)先級(jí)，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式運(yùn)行。

2.2.5 觸發(fā)條件相同的任務(wù)

如果若干功能由相同的事件觸發(fā)，就可以將這些功能合并為一個(gè)任務(wù)，從而減少事件分發(fā)給多個(gè)任務(wù)的工作量。如檢測到按鍵中斷后要進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理、界面顯示、外設(shè)控制。在任務(wù)內(nèi)部，各功能的執(zhí)行順序需要盡可能按規(guī)則設(shè)定，如果各個(gè)功能之間有因果關(guān)系，則按因果關(guān)系的順序執(zhí)行;如果各個(gè)功能之間完全獨(dú)立，則按實(shí)時(shí)性要求的強(qiáng)弱順序執(zhí)行。

2.2.6 運(yùn)行周期相同的任務(wù)

對(duì)于需要重復(fù)執(zhí)行的操作，即具有周期性。這類功能組合在一起封裝為一個(gè)任務(wù)，避免一個(gè)時(shí)間事件觸發(fā)多個(gè)任務(wù)，省去事件分發(fā)操作與它們之間的通信。

2.2.7 順序操作任務(wù)

如果若干功能按固定順序進(jìn)行流水作業(yè)，相互之間完全沒有"并發(fā)性"，盡量將這些功能組合為一個(gè)任務(wù)。

2.3 任務(wù)的可調(diào)度性分析

任務(wù)劃分后，需要評(píng)估CPU占有率，以便確定這些任務(wù)是否可以在操作系統(tǒng)的調(diào)度下正常運(yùn)行。簡單的說就是計(jì)算在一定周期內(nèi)，各任務(wù)運(yùn)行的最長時(shí)間長和是否小于周期，也可以粗略確認(rèn)最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)(待機(jī)任務(wù))是否有周期運(yùn)行的機(jī)會(huì)，否則系統(tǒng)的正常運(yùn)行可能難以保證。

類似生產(chǎn)流水線，如果某個(gè)環(huán)節(jié)超時(shí)，整個(gè)產(chǎn)線就沒法持續(xù)運(yùn)行。這種情況需要提高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率或者換硬件方案，或者優(yōu)化軟件算法。

2.4 任務(wù)類型

任務(wù)設(shè)計(jì)是整個(gè)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，按任務(wù)的執(zhí)行方式可以分為三類：單次執(zhí)行類、周期性執(zhí)行類和事件觸發(fā)類。

2.4.1 單次執(zhí)行的任務(wù)

這類任務(wù)創(chuàng)建后只執(zhí)行一次，執(zhí)行結(jié)束后即自行刪除。優(yōu)點(diǎn)一個(gè)功能運(yùn)行完了，立刻銷毀釋放資源，但也正是這樣，缺點(diǎn)也明顯，釋放不干凈，或者信號(hào)量處理不當(dāng)導(dǎo)致關(guān)聯(lián)任務(wù)永久阻塞。僅適合不與其他任務(wù)進(jìn)行通信(除ISR外)的孤立任務(wù)。

不過有些RTOS或者二次封裝，可以提供工作隊(duì)列(work queue)，多個(gè)這樣的功能需求，統(tǒng)一到一個(gè)固定的任務(wù)執(zhí)行，該固定任務(wù)并不銷毀，一直存在，接收其他任務(wù)的執(zhí)行請(qǐng)求。類似共享單車，大家都是用完就還，由指定人負(fù)責(zé)維護(hù)執(zhí)行。

2.4.2 周期性執(zhí)行的任務(wù)

周期性執(zhí)行的任務(wù)創(chuàng)建一次，使用while 1永久存在，執(zhí)行任務(wù)實(shí)體后休眠，再按時(shí)喚醒或者超時(shí)觸發(fā)，再運(yùn)行再休眠的循環(huán)操作。需要注意休眠時(shí)間和任務(wù)執(zhí)行時(shí)間比值越大越好，否則時(shí)間間隔會(huì)累積誤差。適用于對(duì)周期穩(wěn)定性要求不高的任務(wù)，否則只能采用獨(dú)立于操作系統(tǒng)的定時(shí)中斷來觸發(fā)。

2.4.3 事件觸發(fā)執(zhí)行的任務(wù)

這類任務(wù)實(shí)體代碼的執(zhí)行需要等待某種事件的發(fā)生，在相關(guān)事件發(fā)生之前，如獲取隊(duì)列消息或信號(hào)量阻塞中，該任務(wù)被掛起等待。相關(guān)事件發(fā)生一次，該任務(wù)實(shí)體代碼就執(zhí)行一次。這種任務(wù)可以與其他任務(wù)進(jìn)行通信，也可被動(dòng)等待時(shí)間觸發(fā)，一般情況下使用最多。

2.5 任務(wù)優(yōu)先級(jí)

不同RTOS任務(wù)優(yōu)先級(jí)定義的范圍和意義不同，比如有的是數(shù)值越小表示優(yōu)先級(jí)越高，有的相反;最大數(shù)值的范圍也與系統(tǒng)配置有關(guān)。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)安排原則：

• 中斷關(guān)聯(lián)性：與中斷服務(wù)程序關(guān)聯(lián)的任務(wù)應(yīng)該安排盡可能高的優(yōu)先級(jí)，以便及時(shí)處理異步事件，避免第二次中斷發(fā)生時(shí)第一次中斷還沒有處理完成，從而產(chǎn)生信號(hào)丟失現(xiàn)象。
• 緊迫性：因?yàn)榫o迫任務(wù)對(duì)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，所有緊迫任務(wù)按響應(yīng)時(shí)間要求排序，越緊迫的任務(wù)安排的優(yōu)先級(jí)越高。
• 關(guān)鍵性：任務(wù)越關(guān)鍵安排的優(yōu)先級(jí)越髙，以保障其執(zhí)行機(jī)會(huì)。
• 傳遞性：信息傳遞的上游任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于下游任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，如信號(hào)采集任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于數(shù)據(jù)處理任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。
• 快捷性：在前面各項(xiàng)條件相近時(shí)，耗時(shí)短的任務(wù)安排的優(yōu)先級(jí)越高。

3.公共函數(shù)的設(shè)計(jì)

基于RTOS系統(tǒng)的全局公共函數(shù)，需要考慮多任務(wù)訪問的沖突。好比你在家如廁，使用私有資源隨心所欲;出門在外上公廁，使用共享資源就得遵守一定規(guī)則。如果某個(gè)任務(wù)調(diào)用某個(gè)公共函數(shù)時(shí)，被另一個(gè)髙優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占，且高優(yōu)先級(jí)任務(wù)也要調(diào)用該公共函數(shù)，為防止破壞原任務(wù)的數(shù)據(jù)，確保這段代碼即使在多個(gè)任務(wù)同時(shí)且多次調(diào)用，運(yùn)行結(jié)果表現(xiàn)都是一樣，就必須按一定規(guī)則限制訪問，一般采用兩種措施，互斥調(diào)用和可重入設(shè)計(jì)。

3.1 互斥調(diào)用

將公共函數(shù)作為一種共享資源看待，以互斥方式調(diào)用公共函數(shù)。如果公共函數(shù)比較簡單，運(yùn)行時(shí)間很短，則可采用先關(guān)中斷( 或關(guān)調(diào)度) 再調(diào)用公共函數(shù)，調(diào)用結(jié)束后再開中斷(或開調(diào)度)，從而避免其他任務(wù)打擾。如果公共函數(shù)比較復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)間較長，以上方案嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，最好為這個(gè)公共函數(shù)配備一個(gè)互斥信號(hào)量，任何任務(wù)在調(diào)用這個(gè)公共函數(shù)前必須首先取得對(duì)應(yīng)的互斥信號(hào)量，否則就會(huì)被掛起。

3.2 可重入設(shè)計(jì)

可重入函數(shù)允許多個(gè)任務(wù)嵌套調(diào)用，各任務(wù)的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，互不干擾，這種方式比采用互斥調(diào)用更直接。

將公共函數(shù)設(shè)計(jì)成為可重入函數(shù)的關(guān)鍵是不使用全局資源(如全局變量)，只能使用臨時(shí)的局部變量，局部變量是調(diào)用時(shí)臨時(shí)分配儲(chǔ)存空間，所以不同的任務(wù)在不同時(shí)刻調(diào)用該函數(shù)時(shí)，同一個(gè)局部變量分配的存儲(chǔ)空間是不重疊的，互不干擾?？芍厝牒瘮?shù)調(diào)用的其他函數(shù)也必須是可重入的。

3.3 運(yùn)行效率

為保證運(yùn)行效率和實(shí)時(shí)性要求，函數(shù)盡量不要使用輪詢等待機(jī)制，可使用任務(wù)休眠等待。

4.中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)

中斷服務(wù)程序(ISR ) 是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)獲取各種事件的基本手段，ISR的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性指標(biāo)和工作效率。

4.1 中斷優(yōu)先級(jí)

為不同的中斷服務(wù)程序安排不同的優(yōu)先級(jí)，在允許中斷嵌套的情況下，高優(yōu)先級(jí)的中斷總是能夠得到及時(shí)響應(yīng)。只要沒有關(guān)閉中斷，中斷服務(wù)程序可以中斷任何任務(wù)的運(yùn)行，故可以將中斷服務(wù)程序看成比最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)還要優(yōu)先的特殊任務(wù)(視RTOS類型和配置而定)。

4.2 中斷優(yōu)先級(jí)原則

中斷源是系統(tǒng)及時(shí)獲取異步事件的主要手段，其優(yōu)先級(jí)規(guī)則和任務(wù)比較類似，原則如下：

• 緊迫性：觸發(fā)中斷的事件允許耽誤的時(shí)間越短，設(shè)定的中斷優(yōu)先級(jí)就越高。
• 關(guān)鍵性：觸發(fā)中斷的事件越關(guān)鍵( 重要〉，設(shè)定的中斷優(yōu)先級(jí)就越高。
• 頻繁性：觸發(fā)中斷的事件發(fā)生越頻繁，設(shè)定的中斷優(yōu)先級(jí)就越高。
• 快捷性：在前三項(xiàng)條件相近時(shí)，ISR 處理越快捷( 耗時(shí)短)，設(shè)定的中斷優(yōu)先級(jí)就越高。

4.3 中斷與關(guān)聯(lián)任務(wù)的通信

中斷的主要功能是響應(yīng)異步事件，ISR只是觸發(fā)事件，本身不做過多處理，將獲取的異步事件通信給關(guān)聯(lián)任務(wù)處理。

ISR 與關(guān)聯(lián)任務(wù)的通信方式有兩種方式，信號(hào)量和消息：當(dāng)使用信號(hào)量進(jìn)行通信時(shí)，ISR 只發(fā)送信號(hào)量，表示事件發(fā)生，通過信號(hào)量的同步功能觸發(fā)關(guān)聯(lián)任務(wù)，所有具體工作均由關(guān)聯(lián)任務(wù)完成。當(dāng)使用數(shù)據(jù)消息進(jìn)行通信時(shí)，ISR 需要完成對(duì)異步事件的信息采集，然后使用消息郵箱(或消息隊(duì)列) 將數(shù)據(jù)發(fā)送給關(guān)聯(lián)任務(wù)，由關(guān)聯(lián)任務(wù)完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作。

哪種方式更合適，需根據(jù)實(shí)際情況而定：

觸發(fā) ISR 的亊件不包含數(shù)據(jù)：不需要對(duì)事件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，僅僅是一個(gè)特殊標(biāo)記，這種情況 ISR 使用信號(hào)量與關(guān)聯(lián)任務(wù)進(jìn)行通信。

觸發(fā) ISR 的事件是包含數(shù)據(jù)的低頻事件：將數(shù)據(jù)采集的工作放在關(guān)聯(lián)任務(wù)中完成，產(chǎn)生的時(shí)刻延誤與采樣周期相比可以忽略不計(jì)，這種情況下，ISR 使用信號(hào)量與關(guān)聯(lián)任務(wù)進(jìn)行通信，從而簡化了ISR。

觸發(fā) ISR 的事件是包含數(shù)據(jù)的中髙頻事件：數(shù)據(jù)采集的工作放在關(guān)聯(lián)任務(wù)中完成，可能因?yàn)闀r(shí)刻延誤對(duì)采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量有影響，在這種情況下，數(shù)據(jù)采集的工作應(yīng)該放在 ISR 中完成，再使用消息郵箱(或消息隊(duì)列)與關(guān)聯(lián)任務(wù)進(jìn)行通信，關(guān)聯(lián)任務(wù)從消息郵箱(或消息隊(duì)列)中得到消息的數(shù)據(jù)，并完成后續(xù)處理。

觸發(fā) ISR 的事件是包含數(shù)據(jù)的非周期“高頻”事件：對(duì)于非周期“高頻”事件，其最短事件間隔可能小于事件數(shù)據(jù)處理的耗時(shí)，如果在關(guān)聯(lián)任務(wù)采集數(shù)據(jù)就可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題，在這種情況下，數(shù)據(jù)采集的工作應(yīng)該放在 ISR 中完成，由 ISR 使用具有數(shù)據(jù)緩沖功能的消息隊(duì)列與關(guān)聯(lián)任務(wù)進(jìn)行通信，關(guān)聯(lián)任務(wù)從消息隊(duì)列中得到消息的數(shù)據(jù)，并完成后續(xù)處理工作。

有些芯片平臺(tái)的中斷服務(wù)不能使用操作系統(tǒng)接口函數(shù)，不能直接發(fā)送消息或者信號(hào)量，需要進(jìn)行特殊處理。更多細(xì)節(jié)可關(guān)注微信公眾號(hào) 嵌入式系統(tǒng) ，獲取更多技能。

5.行為同步

在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下，系統(tǒng)的整體功能是通過各個(gè)任務(wù)( 包括 ISR )的協(xié)同運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)的，其中運(yùn)行步驟的協(xié)調(diào)就是行為同步。

5.1 行為同步的通信方式

一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行過程需要和其他任務(wù)的運(yùn)行配合，才能得到預(yù)定的效果，任務(wù)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系稱為“行為同步”。行為同步的結(jié)果體現(xiàn)為任務(wù)之間的運(yùn)行按某種預(yù)定的順序來進(jìn)行。一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了各種的通信方式來適應(yīng)不同場合的需求，實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的行為同步。這里只是簡要描述，不同RTOS只是接口不同，其作用都一樣。也可以參考《FreeRTOS及其應(yīng)用，萬字長文，基礎(chǔ)入門》。

5.1 1 二值信號(hào)置

可以簡單理解為一個(gè)全局變量只能為0或者1，但其實(shí)是基于系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)，支持跨任務(wù)讀寫。二值信號(hào)量初始值為0，控制方發(fā)出同步信號(hào)(put/give)，二值信號(hào)量的值為 1，被控制方在任務(wù)的同步點(diǎn)調(diào)用“等待一個(gè)信號(hào)量”的服務(wù)函數(shù)(get/take)，如果二值信號(hào)量的值已經(jīng)為 1，就將二值信號(hào)量復(fù)位( 清零) 并繼續(xù)運(yùn)行下去;如果二值信號(hào)量的值為 0，便使自己掛起等待控制方的信號(hào)。

如果被控制方總能夠及時(shí)響應(yīng)控制方發(fā)出的信號(hào)，完成相應(yīng)處理任務(wù)，并在下一次信號(hào)來到之前進(jìn)入等待狀態(tài)，這樣才能保證穩(wěn)定。如果被控制方獲取信號(hào)量過慢，控制方可能已經(jīng)發(fā)出多個(gè)信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)事件被丟失。

把同步信息視為一個(gè)產(chǎn)品，控制方是產(chǎn)品的生產(chǎn)者，被控制方就是產(chǎn)品的消費(fèi)者。當(dāng)產(chǎn)品的“最短生產(chǎn)時(shí)間”比產(chǎn)品的“最長消費(fèi)時(shí)間”還長時(shí)，產(chǎn)品永遠(yuǎn)是“供不應(yīng)求 ”，消費(fèi)者總是處于等待狀態(tài)”，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品立即被消費(fèi)者取走，生產(chǎn)者和消費(fèi)者達(dá)到完全同步，生產(chǎn)一個(gè)就立即消費(fèi)一個(gè)。如果生產(chǎn)過快，消費(fèi)來不及，出現(xiàn)產(chǎn)品積壓，則表示任務(wù)可能需要調(diào)整優(yōu)先級(jí)，或者說二值信號(hào)量不合適，需要使用計(jì)數(shù)信號(hào)量。

5.1.2 計(jì)數(shù)信號(hào)量

只要產(chǎn)品的平均生產(chǎn)時(shí)間比產(chǎn)品的平均消費(fèi)時(shí)間長，所有的產(chǎn)品就都會(huì)被消費(fèi)掉。但仍然有可能在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)臨時(shí)的“產(chǎn)品積壓”。如產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間為 20-40 秒(平均30秒)，產(chǎn)品的消費(fèi)時(shí)間為 10-30秒(平均 20 秒)，總體上看是生產(chǎn)慢、消費(fèi)快，但在某個(gè)時(shí)間段，生產(chǎn)速度維持在高水平狀態(tài)(每20秒生產(chǎn)一個(gè))，而消費(fèi)速度偏偏維持在低水平狀態(tài)(每30秒消費(fèi)一個(gè))，這時(shí)就會(huì)臨時(shí)出現(xiàn)產(chǎn)品積壓現(xiàn)象。

二值信號(hào)量不能處理“信號(hào)積壓”現(xiàn)象，未及時(shí)響應(yīng)的信號(hào)將會(huì)被遺棄，有效響應(yīng)次數(shù)少于實(shí)際發(fā)出的信號(hào)次數(shù)。在這種情況下，采用計(jì)數(shù)信號(hào)是一個(gè)有效的選擇，在總體上能夠使控制方對(duì)被控制方進(jìn)行同步控制，在特殊情況下也不失去控制，保證每次控制信號(hào)都能夠得到響應(yīng)，盡管響應(yīng)時(shí)間偶爾會(huì)有延誤。

計(jì)數(shù)信號(hào)最初始值為 0，控制方需要發(fā)出同步信號(hào)時(shí)，就調(diào)用“發(fā)出一個(gè)信號(hào)量”的服務(wù)函數(shù)，使計(jì)數(shù)信號(hào)量的值加 1，被控制方在任務(wù)的“同步點(diǎn)”調(diào)用“等待一個(gè)信號(hào)量”的服務(wù)函數(shù)。如果計(jì)數(shù)信號(hào)量的值不為 0，就將計(jì)數(shù)信號(hào)量減 1，并繼續(xù)運(yùn)行下去;如果計(jì)數(shù)信號(hào)量的值為0，便使自己掛起，等待控制方的信號(hào)。

計(jì)數(shù)信號(hào)量適用于被控制方不能保證在下一次信號(hào)到來之前處理完本次控制方發(fā)出的信號(hào)，但總體上可以響應(yīng)所有信號(hào)。

5.1.3 事件標(biāo)志組

需要將兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行某種邏輯運(yùn)算，且用邏輯運(yùn)算結(jié)果作為同步控制信號(hào)時(shí)，簡單的通信方式難以實(shí)現(xiàn)，可采用“事件標(biāo)志組”來實(shí)現(xiàn)，事件標(biāo)志組是若干二值信號(hào)的組合，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)(包括 ISR)協(xié)同控制一個(gè)任務(wù)，當(dāng)各個(gè)相關(guān)任務(wù)(包括ISR)先后發(fā)出自己的信號(hào)后，使事件標(biāo)志組的對(duì)應(yīng)標(biāo)志有效，預(yù)定的邏輯運(yùn)算結(jié)果有效，觸發(fā)被控制的任務(wù)。

事件標(biāo)志組的使用方法很靈活，可以將標(biāo)志定義為“1 有效”，也可以將標(biāo)志定義為“0 有效”，邏輯關(guān)系可以為“邏輯與”(全部標(biāo)志均有效)，也可以為“邏輯或”( 只要任何一個(gè)標(biāo)志有效)?？梢院唵卫斫鉃槟硞€(gè)變量，多個(gè)控制任務(wù)共同控制變量的對(duì)應(yīng)的位，被控制任務(wù)在全部或者某一位滿足要求時(shí)觸發(fā)運(yùn)行。

5.1.4 消息郵箱

用信號(hào)量進(jìn)行行為同步時(shí)，只能提供同步的時(shí)刻信息，不能提供內(nèi)容信息，當(dāng)控制方對(duì)被控制方進(jìn)行控制，需要向被控制方提供內(nèi)容信息時(shí)，消息郵箱是一種有效的方案。

關(guān)于郵箱，不同的RTOS其功能定義有一定差異。大多數(shù)RTOS的郵箱不支持緩存，后面發(fā)送的會(huì)覆蓋前面;但有的類似簡化版的消息隊(duì)列，支持緩存，只是消息內(nèi)容固定為一個(gè)指針，可以多次發(fā)送;有的RTOS不支持郵箱。

5.1.5 消息隊(duì)列

消息隊(duì)列是應(yīng)用比較多，隊(duì)列可以存放多個(gè)消息，能夠有效解決消息的臨時(shí)堆積問題，但仍然需要滿足一個(gè)條件，消息的平均生產(chǎn)時(shí)間比消息的平均消費(fèi)時(shí)間長，否則，再長的消息隊(duì)列也會(huì)溢出。

特別注意，當(dāng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大時(shí)，傳輸其內(nèi)容指針，而不是內(nèi)容本身。

5.1.6 通信方式的選擇

以上用于行為同步的通信方式，根據(jù)實(shí)際情況來選擇：

當(dāng)同步過程不需要傳輸具體內(nèi)容時(shí)，可選擇二值信號(hào)量、計(jì)數(shù)信號(hào)量和事件標(biāo)志組。

當(dāng)同步過程需要傳輸具體內(nèi)容時(shí)，可選擇消息郵箱、消息隊(duì)列。

當(dāng)“任何時(shí)候同步信息的生產(chǎn)速度都比同步信息的消費(fèi)速度慢”時(shí)，可選擇二值信號(hào)量 、事件標(biāo)志組。

對(duì)于非周期性同步信息，當(dāng)不能保證“任何時(shí)候同步信息的生產(chǎn)速度都比同步信息的消費(fèi)速度慢"時(shí)，可選擇有緩沖功能的計(jì)數(shù)信號(hào)量、消息隊(duì)列。

當(dāng)同步信號(hào)為多個(gè)信號(hào)的邏輯運(yùn)算結(jié)果時(shí)，采用事件標(biāo)志組作為同步手段

5.2 行為同步

合理安排同步點(diǎn)和任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是獲得預(yù)期同步效果的關(guān)鍵。

5.2.1 ISR 與任務(wù)之間的同步

一個(gè)任務(wù)(或 ISR)為控制方，發(fā)出控制信息，另一個(gè)任務(wù)為被控制方，獲取控制信息后即進(jìn)入就緒狀態(tài)，若優(yōu)先級(jí)足夠高就可以很快進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)可在ISR退出前進(jìn)行一次任務(wù)切換。

一個(gè)由異步亊件觸發(fā)的ISR 通常與一個(gè)任務(wù)關(guān)聯(lián)，它們之間就是單向同步關(guān)系，與ISR關(guān)聯(lián)的任務(wù)總是處于等待狀態(tài)，每當(dāng)ISR發(fā)出信息就被觸發(fā)，其任務(wù)結(jié)構(gòu)為事件觸發(fā)型。

5.2.2 兩個(gè)任務(wù)之間的單向同步

如果單向同步發(fā)生在兩個(gè)任務(wù)之間，同步效果與兩個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)有關(guān)。當(dāng)控制方任務(wù)的優(yōu)先級(jí)低于被控制方任務(wù)的優(yōu)先級(jí)時(shí)，控制方任務(wù)發(fā)出信息，被控制方任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，并立即發(fā)生任務(wù)切換進(jìn)人運(yùn)行狀態(tài)，瞬時(shí)同步效果較好。當(dāng)控制方任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于被控制方任務(wù)的優(yōu)先級(jí)時(shí)，控制方任務(wù)發(fā)出信息后，雖然被控制方任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，但并不發(fā)生任務(wù)切換，只有當(dāng)控制方調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)休眠或其它使自己掛起時(shí)，被控制方任務(wù)才有運(yùn)行機(jī)會(huì)，瞬時(shí)同步效果較差。不過，控制方在發(fā)出信息后立即調(diào)用延時(shí)函數(shù)( 延時(shí)時(shí)間大于被控制方任務(wù)的處理時(shí)間)，主動(dòng)使自己掛起來，讓低優(yōu)先級(jí)的被控制方任務(wù)盡快得到運(yùn)行機(jī)會(huì)，可改善同步效果。

5.2.3 兩個(gè)任務(wù)之間的雙向同步

在單向同步過程中，必須保證消息的平均生產(chǎn)時(shí)間比消息的平均消費(fèi)時(shí)間長，否則再長的消息隊(duì)列也會(huì)溢出。如果消息的生產(chǎn)者是外部物理世界，其消息生產(chǎn)速度是客觀的，為了不遺漏消息，只能提高系統(tǒng)處理速度來應(yīng)對(duì)。

如果消息的生產(chǎn)者是系統(tǒng)內(nèi)部的某個(gè)任務(wù)，則可以通過協(xié)調(diào)生產(chǎn)者與消費(fèi)者的關(guān)系來建立一個(gè)產(chǎn)銷平衡的理想狀態(tài)。通信的雙方相互制約，生產(chǎn)者通過“提供消息”來同步消費(fèi)者，消費(fèi)者通過“回復(fù)消息”來同步生產(chǎn)者，即生產(chǎn)者必須得到消費(fèi)者的回復(fù)后，才進(jìn)行下一個(gè)消息的生產(chǎn)，這種運(yùn)行方式稱為“雙向同步”，這和UART串口的流控比較類似，其實(shí)現(xiàn)方式是單向同步操作的兩倍。

5.2.4 多任務(wù)同步一個(gè)任務(wù)

當(dāng)需要兩個(gè)以上任務(wù)同步一個(gè)任務(wù)時(shí)，簡單的通信方式難以實(shí)現(xiàn)，可采用“事件標(biāo)志組”來實(shí)現(xiàn)。只要被同步任務(wù)的執(zhí)行速度足夠快，其執(zhí)行次數(shù)就可以“等于”各個(gè)同步任務(wù)發(fā)出信號(hào)次數(shù)的總和，否則也會(huì)遺漏個(gè)別消息。

5.2.5 多個(gè)任務(wù)相互同步

多個(gè)任務(wù)的運(yùn)行頻度保持一致，即一組關(guān)聯(lián)任務(wù)在特定點(diǎn)互相等待，每個(gè)相關(guān)任務(wù)在運(yùn)行到同步點(diǎn)時(shí)都必須等待其他任務(wù)，只有相關(guān)任務(wù)都到達(dá)同步點(diǎn)，才可以按優(yōu)先級(jí)順序依次離開同步點(diǎn)，從而達(dá)到相關(guān)任務(wù)的運(yùn)行頻度保持一致的目的。類似一組人各自獨(dú)立的到達(dá)指定集合點(diǎn)，都到齊統(tǒng)一簽到，再各回各家。

多個(gè)任務(wù)相互同步，理論上事件標(biāo)志組可用來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)相互同步，每個(gè)相關(guān)任務(wù)運(yùn)行到同步點(diǎn)時(shí)都要“簽到”，即調(diào)用“發(fā)送標(biāo)志函數(shù)”將對(duì)應(yīng)標(biāo)志置位;然后調(diào)用“獲取標(biāo)志組標(biāo)志函數(shù)”進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)最后一個(gè)相關(guān)任務(wù)運(yùn)行到同步點(diǎn)并“簽到”時(shí)，通過邏輯運(yùn)算產(chǎn)生“全部到齊”的信號(hào)(多任務(wù)同步標(biāo)志)，并將這個(gè)同步信號(hào)分發(fā)給各個(gè)相關(guān)任務(wù)( 進(jìn)入就緒狀態(tài))后，相關(guān)任務(wù)按優(yōu)先級(jí)次序先后運(yùn)行。但是，因?yàn)楦鱾€(gè)任務(wù)的運(yùn)行情況是動(dòng)態(tài)變化的，每個(gè)任務(wù)都有可能最后一個(gè)到達(dá)同步點(diǎn)，只使用事件標(biāo)志組無法判斷在最后一個(gè)到達(dá)同步點(diǎn)的任務(wù)清除標(biāo)志，導(dǎo)致后續(xù)會(huì)不斷誤觸發(fā)。

其實(shí)使用最簡單的全局變量，記錄當(dāng)前已經(jīng)到達(dá)同步點(diǎn)任務(wù)的數(shù)量，這樣數(shù)值累加到一定程度，即可判斷出最后一個(gè)到達(dá)同步點(diǎn)的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)再同步點(diǎn)判斷計(jì)數(shù)值，再將同步信號(hào)分發(fā)給各個(gè)相關(guān)任務(wù)。這個(gè)全局變量在多個(gè)任務(wù)操作，也需進(jìn)行特殊處理，也就是下一章的資源同步。

6.資源同步

被兩個(gè)以上并發(fā)程序單元(任務(wù)或1SR )訪問的資源稱為共享資源，共享資源一定是全局資源。但全局資源不一定都是共享資源，固定只被一個(gè)任務(wù)(或 ISR ) 使用的全局資源并不是共享資源，而是這個(gè)任務(wù)( 或 ISR )的私有資源，對(duì)私有資源的讀寫操作是不受限制的。

任務(wù)對(duì)共享資源進(jìn)行訪問的代碼段落稱為關(guān)鍵段落，各個(gè)任務(wù)訪問同一共享資源的關(guān)鍵段落必須互斥，才能保障共享資源信息的可靠性和完整性。這種使得不同任務(wù)訪問共享資源時(shí)能夠確保共享資源信息可靠和完整的措施稱為資源同步。

資源同步有關(guān)中斷、關(guān)調(diào)度、使用互斥信號(hào)量、使用計(jì)數(shù)信號(hào)量幾種方法，它們都能夠在訪問共享資源時(shí)，保障共享資源信息的可靠性和完整性。

并不是訪問所有共享資源都要采取資源同步措施，如共享資源具有“只讀”特性，其信息只能讀出，不能改寫。這類共享資源具有天然的完整性和可靠性，各個(gè)任務(wù)可以任意讀取，如系統(tǒng)內(nèi)固化的硬件參數(shù)信息。需要采取資源同步措施進(jìn)行訪問的必定是動(dòng)態(tài)共享資源，至少存一個(gè)任務(wù)( 或ISR)可以對(duì)其進(jìn)行“寫”操作。

6.1 關(guān)中斷

一個(gè)任務(wù)在對(duì)共享資源進(jìn)行訪問前將中斷關(guān)閉，然后執(zhí)行訪問共享資源的關(guān)鍵段落代碼，操作結(jié)束后再打開中斷。

當(dāng)中斷被關(guān)閉后，系統(tǒng)失去了對(duì)所有事件的反映能力，不能進(jìn)行任務(wù)切換，從而保證了對(duì)共享資源的獨(dú)占式訪問。(優(yōu)先級(jí)非常高的硬件中斷不受操作系統(tǒng)關(guān)中斷控制，具體與RTOS實(shí)現(xiàn)及其配置有關(guān))

當(dāng)參與訪問共享資源的并發(fā)程序單元中包含ISR 時(shí)，關(guān)中斷是任務(wù)訪問共享資源的最簡單方法，也是唯一的方法。

關(guān)中斷的優(yōu)點(diǎn)是簡單，缺點(diǎn)是影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。為了減輕對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的不利影響，訪問共享資源的關(guān)鍵段落代碼必須盡量簡短，絕對(duì)不允許在關(guān)鍵段落代碼中包含有可能使自己掛起的系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)，否則將使系統(tǒng)死機(jī)。

當(dāng)需要對(duì)共享資源進(jìn)行“寫”訪問時(shí)，先將需要“寫入”的信息提前準(zhǔn)備好，存放在自己的局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，這個(gè)局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與共享資源的被訪問部分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同，然后關(guān)中斷，在關(guān)鍵段落代碼中只需要完成將局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容復(fù)制到共享資源中的操作即可，復(fù)制完畢就可以開中斷;由于兩者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同，所以執(zhí)行復(fù)制功能的關(guān)鍵段落代碼自然非常簡單、 快捷。

當(dāng)需要對(duì)共享資源進(jìn)行“讀”訪問時(shí)，先準(zhǔn)備一個(gè)與共享資源被訪問部分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同的局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后關(guān)中斷，在關(guān)鍵段落代碼中只需要完成將共享資源的有關(guān)內(nèi)容復(fù)制到局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的操作即可，復(fù)制完就可以開中斷。退出關(guān)鍵段落代碼后，再對(duì)復(fù)制到局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的信息進(jìn)行相關(guān)處理。

由于關(guān)中斷直接影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，因此只能用于對(duì)簡單共享資源的短暫訪問，一般用于對(duì)全局變量或小規(guī)模全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問。

6.2 關(guān)調(diào)度

當(dāng)共享資源比較復(fù)雜或者規(guī)模比較大時(shí)，關(guān)中斷的方式不可取。如果該共享資源的使用者全部是任務(wù)( 即不包含 ISR )，就可以采用關(guān)調(diào)度的方法來訪問共享資源。

關(guān)調(diào)度的方法使操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度器停止工作，不能進(jìn)行任務(wù)切換，從而保障關(guān)鍵段落代碼的執(zhí)行不會(huì)受到其他任務(wù)的干擾。

由于關(guān)調(diào)度的方法沒有將中斷關(guān)閉，故系統(tǒng)對(duì)各種異步事件仍然可以及時(shí)響應(yīng)，并使相關(guān)任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，但不會(huì)立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。這也是關(guān)調(diào)度的缺點(diǎn)，導(dǎo)致所有任務(wù)受到牽連，即使它們的優(yōu)先級(jí)足夠高并被ISR 觸發(fā)到就緒狀態(tài)也無法運(yùn)行。

在關(guān)調(diào)度期間，必須盡可能快速完成訪問共享資源的工作，以縮短關(guān)調(diào)度的時(shí)間。如果在關(guān)調(diào)度期間調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)而被掛起，其他任務(wù)又不能運(yùn)行，那么系統(tǒng)將崩潰。關(guān)調(diào)度的資源同步方法優(yōu)點(diǎn)不多，缺點(diǎn)不少，盡可能不要使用。

6.3 使用互斥信號(hào)量

當(dāng)需要訪問的共享資源比較復(fù)雜，且訪問過程比較費(fèi)時(shí)時(shí)，關(guān)中斷、關(guān)凋度的措施不可取，它對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。如果該共享資源的使用者全部是任務(wù)( 即不包含 ISR)，可采用互斥信號(hào)量的方法來訪問。

但使用信號(hào)量存在一定風(fēng)險(xiǎn)，可能出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是指一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)持有一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)所需要的共享資源，高優(yōu)先任務(wù)必須等到低優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放資源才能訪問。如果此時(shí)有個(gè)優(yōu)先級(jí)處于兩者之間的任務(wù)，并且不需要那個(gè)共享資源，則該中優(yōu)先級(jí)的任務(wù)實(shí)際運(yùn)行效果優(yōu)先級(jí)最高。如果高優(yōu)先級(jí)任務(wù)等待資源時(shí)不是阻塞等待，而是循環(huán)忙檢測，則低優(yōu)先級(jí)任務(wù)無法執(zhí)行，一直占用共享資源，造成的后果就是高優(yōu)先級(jí)任務(wù)無法獲得資源一直處于等待狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入假死狀態(tài))。

解決方案有兩種，設(shè)置優(yōu)先級(jí)上限，給臨界區(qū)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)，進(jìn)入臨界區(qū)的任務(wù)都將獲得這個(gè)高優(yōu)先級(jí)，其他試圖進(jìn)入臨界區(qū)的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)都低于這個(gè)高優(yōu)先級(jí)，也就不存在優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn);另一個(gè)方案是優(yōu)先級(jí)繼承，當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)等待一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)持有的資源時(shí)，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)將暫時(shí)獲得高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)別，在釋放共享資源后，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)回到原來的優(yōu)先級(jí)別。這塊不需要應(yīng)用程序關(guān)注或?qū)崿F(xiàn)，因?yàn)镽TOS自帶的互斥信號(hào)量(mutex)具有處理優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的功能，特別適合對(duì)共享資源的互斥訪問。

互斥信號(hào)量與用于行為同步的二值信號(hào)量不同，互斥信號(hào)量的初始值為 1(unlock)，表示共享資源有效( 尚未被使用)，一個(gè)任務(wù)需要訪問某共享資源時(shí)，首先獲取該共享資源對(duì)應(yīng)的互斥信號(hào)量(lock)，如果已經(jīng)被其它任務(wù)占用則等待;若獲取成功，則說明該共享資源尚未被其他任務(wù)占用，就可以對(duì)該共享資源進(jìn)行使用，使用結(jié)束后必須及時(shí)發(fā)送互斥信號(hào)量，解除對(duì)該共享資源的占用，以便供其他任務(wù)使用?？梢灶惐扔谶M(jìn)公廁，必須確保門未鎖，進(jìn)入后立刻鎖門，事畢出來再開鎖，其他人才可再進(jìn)入使用。

使用互斥信號(hào)量訪問共享資源時(shí)，對(duì)中斷和任務(wù)調(diào)度沒有限制，系統(tǒng)可以正常響應(yīng)各種異步事件，其他與該共享資源無關(guān)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)仍然可以及時(shí)運(yùn)行( 即使任務(wù)正在運(yùn)行關(guān)鍵段落代碼)，因此，使用互斥信號(hào)量進(jìn)行共享資源訪問對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性影響最小。

在使用互斥信號(hào)量進(jìn)行資源同步時(shí)，任何任務(wù)一旦獲得共享資源就可以一直使用到不需要為止，其他任務(wù)優(yōu)先級(jí)再高也不能奪去使用權(quán)。其原因是獲得共享資源的任務(wù)具有臨時(shí)的高優(yōu)先級(jí)(優(yōu)先級(jí)繼承值)，其他需要訪問同一個(gè)共享資源的任務(wù)均達(dá)不到這樣高的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)繼承值必須高于所有需要訪問這個(gè)共享資源的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。

需要注意的是，優(yōu)先級(jí)繼承值不能與其他任務(wù)的優(yōu)先級(jí)相冋，必須使用一個(gè)空閑的、高于全部使用該共享資源的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)值，初始定義優(yōu)先級(jí)時(shí)不要將任務(wù)的優(yōu)先級(jí)安排得太緊密，中間留些間隔較好。

6.4 使用計(jì)數(shù)信號(hào)量

當(dāng)同一類型共享資源有多個(gè)實(shí)體，就允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)使用這類共享資源，但每個(gè)任務(wù)所使用的共享資源實(shí)體是不同的，即對(duì)每一個(gè)實(shí)體的使用仍然是互斥的。

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，多個(gè)實(shí)體，比如多路ADC，多路UART，其實(shí)對(duì)應(yīng)不同的硬件資源，并不是完全相同的，不能隨意選擇性使用，也就是感覺計(jì)數(shù)信號(hào)量管理多實(shí)體共享資源沒有實(shí)際意義，對(duì)于多路ADC或UART，一般是使用多個(gè)互斥信號(hào)量或者二值信號(hào)量各自管理其中一路。

7.數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，ISR與任務(wù)之間、 任務(wù)與任務(wù)之間必然伴隨數(shù)據(jù)通信，可根據(jù)實(shí)際情況來選擇最合適的通信方式。

7.1 全局變量

全局變量(包括全局?jǐn)?shù)組和全局結(jié)構(gòu)體)可以充當(dāng)一種共享資源，用來在任務(wù)之間傳輸數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的任務(wù)或ISR對(duì)全局變量進(jìn)行寫操作，使用數(shù)據(jù)的任務(wù)或ISR對(duì)全局變量進(jìn)行讀操作，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的的傳輸。這種情況下全局變量作為共享資源，對(duì)其進(jìn)行的訪問必須遵循資源同步的規(guī)則。

全局變量雖然可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，但不能實(shí)現(xiàn)行為同步，即新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生之后并不能自動(dòng)通知相關(guān)使用者，使用者也不知道當(dāng)前數(shù)據(jù)是何時(shí)更新的，因此，全局變鼂只能用于沒有行為同步要求的任務(wù)之間，即每次產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)不要求立即使用，甚至可以不被使用。

在沒有行為同步要求的前提下，且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，采用全局變量并配合關(guān)中斷的資源同步措施是一種最有效的方法。

也有種特殊情況，當(dāng)對(duì)共享資源進(jìn)行寫操作的任務(wù)只有一個(gè)，且其優(yōu)先級(jí)高于所有其他進(jìn) 行讀操作的任務(wù)，可以在進(jìn)行寫操作時(shí)不必關(guān)中斷，因?yàn)榈蛢?yōu)先級(jí)執(zhí)行讀操作任務(wù)不可能獲取運(yùn)行權(quán)，而低優(yōu)先級(jí)執(zhí)行讀操作任務(wù)必須使用關(guān)中斷措施來訪問全局變量。

7.2 內(nèi)存數(shù)據(jù)塊

若需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大時(shí)，采用內(nèi)存塊來存放數(shù)據(jù)是最合適的選擇，也就是內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理函數(shù)，操作系統(tǒng)一般會(huì)適配動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)、釋放的接口，且支持重入。

如果申請(qǐng)的內(nèi)存空間地址指針作為全局變量，其用法和全局變量一樣，必須遵循資源同步的規(guī)則。實(shí)際它少獨(dú)立使用，一般情況下是用于消息隊(duì)列通信方式的內(nèi)容緩沖區(qū)，將申請(qǐng)的內(nèi)存塊地址作為臨時(shí)變量，作為消息內(nèi)容的參數(shù)傳輸。

7.3 消息郵箱

當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)要求接收方及時(shí)接收和處理，在數(shù)據(jù)通信的同時(shí)發(fā)生行為同步，當(dāng)通信雙方的執(zhí)行均具有周期性(且周期相同)時(shí)，消息郵箱是合適的通信工具。(前提是RTOS支持郵箱，且不帶緩存，一次只能發(fā)送一條)。

使用消息郵箱發(fā)送消息時(shí)，實(shí)際上只發(fā)送指針( 消息的地址〉，不管消息本身的數(shù)據(jù)類型，發(fā)送的指針都按 void *處理，接收方得到這個(gè)消息指針后，將指針強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換獲取真正的消息內(nèi)容。

郵箱內(nèi)容可以直接發(fā)送常量(或者數(shù)據(jù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)為指針類型，因?yàn)樽兞?00和指針100，本質(zhì)都是100這個(gè)數(shù)字)。如果發(fā)送的是變量的地址，務(wù)必確保變量本身不會(huì)銷毀，一般是全局變量或者靜態(tài)局部變量的地址。

7.4 消息隊(duì)列

由于消息郵箱里只能存放一條消息(部分RTOS郵箱消息功能不同，但消息隊(duì)列，所有RTOS都表現(xiàn)一致)。通信雙方至少有一方?jīng)]有固定的執(zhí)行周期，無法保證消息總能在下一個(gè)消息產(chǎn)生之前處理完畢，可能丟失消息，這種情況應(yīng)該使用具有緩沖功能的消息隊(duì)列，事實(shí)上消息隊(duì)列最常用。

隊(duì)列是一種標(biāo)準(zhǔn)線性結(jié)構(gòu)，消息的發(fā)送、接收就是消息內(nèi)容的入隊(duì)或出隊(duì)。在用戶層面，發(fā)送消息就是將消息內(nèi)容放入隊(duì)列，接收消息時(shí)就是從隊(duì)列中取出一條消息。

消息內(nèi)容的結(jié)構(gòu)和消息隊(duì)列的長度由用戶自行設(shè)置，消息長度按消息積壓的最壞情況決定，太短了不保險(xiǎn)，太長了浪費(fèi)內(nèi)存資源。隊(duì)列是先進(jìn)先出，但入隊(duì)時(shí)可以選擇放入隊(duì)列頭部還是尾部，對(duì)重要消息可以小范圍的實(shí)現(xiàn)優(yōu)先處理。

消息內(nèi)容的要求和消息郵箱一樣，必須確保接收消息的任務(wù)還能取出數(shù)據(jù)，不能使用臨時(shí)變量;也不能使用大量數(shù)據(jù)塊，可以動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存，消息傳遞的是其指針，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的傳輸。

8.時(shí)間管理

操作系統(tǒng)可以多任務(wù)間進(jìn)行切換，就是靠一個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器以一定頻率中斷，為系統(tǒng)提供調(diào)度(上下文切換)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。而這個(gè)定時(shí)器，就是系統(tǒng)節(jié)拍(tick)，任務(wù)調(diào)度、休眠延時(shí)都是基于節(jié)拍，一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)的時(shí)間各不相同，一般配置1-10ms。

節(jié)拍對(duì)應(yīng)時(shí)間數(shù)值越小，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性越高，但過小則會(huì)導(dǎo)致頻繁切換任務(wù)反而影響任務(wù)執(zhí)行效率。

時(shí)間管理服務(wù)函數(shù)以系統(tǒng)節(jié)拍為處理單位，最壞的情況下誤差接近一個(gè)系統(tǒng)節(jié)拍，因此，時(shí)間管理服務(wù)函數(shù)只能用在對(duì)時(shí)間精度要求不高的場合，或者時(shí)間間隔較長的場合。