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(jī)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／OS—III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OSEventTbl[]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_PE ND_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OSPEND_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?，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。
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。“非阻塞”方式可以應(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”。“廣播模式”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OSSem Post()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(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)就會產(chǎn)生一個接收中斷，當(dāng)收到回車符時表示主機(jī)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OSTaskSemPend()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。