引言
μC／OS是一個基于優(yōu)先級調度的可剝奪型實時多任務內(nèi)核。在多任務的實時內(nèi)核中，信號量是常用的機制，可以用來實現(xiàn)對共享資源的訪問、任務之間的通信和同步，以及任務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，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、釋放但不進行任務調度等，提高了使用的靈活性。更重要的是，在μC／OS—III中還新增了任務內(nèi)嵌的信號量，用戶程序無需建立信號量便可和任務直接通信，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)部結構的差異以及μC／OS—III新增的特性。

1 μC／OS—II中信號量內(nèi)部結構
在μC／OS—II中，信號量直接使用內(nèi)核的數(shù)據(jù)結構OS EVENT，其內(nèi)部結構如下：


其中，和信號量相關的最重要的就是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)先級下有任務在等待該事件，則OSEventTbl[]中對應的位將被置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[]結構是一模一樣的，區(qū)別僅僅在于前者記錄的是等待該事件的任務的狀態(tài)，而后者記錄的是系統(tǒng)中就緒的任務的狀態(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。
μC／OS—II提供的信號量相關的最常用的幾個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。當信號量用于對共享資源的訪問時，該值應初始化為實際可用的共享資源數(shù)；當信號量用來實現(xiàn)任務的同步，則初始值應設為0。調用等待信號量的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會超時返回。釋放信號量時，如果有任務在等待，內(nèi)核會通過查找OSEventGrp和OSEventTbl[]獲得等待任務中優(yōu)先級最高的任務，該任務將獲得信號量從而轉入就緒態(tài)，內(nèi)核會進行任務調度。如果獲得信號量的任務比正在執(zhí)行的任務優(yōu)先級還高，則會進行任務切換。

2 μC／OS-Ⅲ中信號量內(nèi)部結構
在μC／OS—III中，信號量類型的結構有所變化，并沒有和μC／OS—II一樣繼續(xù)采用和“就緒表”類似的結構，而是采用一個“等待列表”的數(shù)據(jù)結構來記錄等待信號量的任務。其數(shù)據(jù)結構如下：

從上述結構可以看出，μC／OS—III的信號量結構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列表則通過一個新的數(shù)據(jù)結構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)，也就是等待的任務數(shù)目；HeadPtr和TailPtr構成一個雙向鏈表，指向的是OS_PEND_DATA類型的結構體。OS_PEND_DATA是μC／OS—III內(nèi)部的一個數(shù)據(jù)類型，每當任務因等待信號量而被掛起時，內(nèi)核就會新建一個對應的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結構體包含指向等待任務的OS_TCB的指針以及其他數(shù)據(jù)域。在這里，最重要的細節(jié)是，μC／OS-III是按照任務優(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)塊所對應的等待任務的優(yōu)先級(通過OS_PEND_DATA數(shù)據(jù)塊內(nèi)部的TCBPtr指針可以從任務控制塊內(nèi)部獲得任務的優(yōu)先級)，直到找到比當前需要插入的任務的優(yōu)先級低的任務，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優(yōu)先級相同的任務，則新插入的任務放到優(yōu)先級相同的任務后。道理很簡單，優(yōu)先級相同，晚到的任務沒有任何理由比早到的任務先獲得信號量?；谏鲜雠帕蟹椒ǎ挥陔p向鏈表頭部的任務總是等待的任務中優(yōu)先級最高的。因此，當用戶釋放信號量時，總是雙向鏈表頭部的任務獲得信號量，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，當任務獲得信號量(或者任務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，當用戶對信號量執(zhí)行Pend操作而信號量無效時任務會被掛起，而μC／OS—III通過opt參數(shù)支持以“非阻塞”的方式調用。這種情況下，即使等待的信號量無效，任務也會返回，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”方式可以應用于對共享資源的訪問，比如當某資源不可用時用戶可能并不希望任務被掛起，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“不調度模式”。“廣播模式”是指所有在等待該信號量的任務都將獲得信號量而轉入就緒態(tài)；而“不調度模式”是指該次Post操作后不進行任務調度，當用戶連續(xù)執(zhí)行多個Post操作，只需在最后一次Post完成后才進行任務調度。前面提到，信號量的等待列表中的任務已經(jīng)按照優(yōu)先級從高到低的順序排序了，因此當執(zhí)行OSSem Post()操作時如果有任務在等待信號量，則位于等待列表首部的任務會獲得信號量從而轉入就緒態(tài)。當然，如果是“廣播模式”則所有任務都被喚醒。

3 μC／OS-Ⅲ中任務內(nèi)嵌的信號量
在很多應用中，信號量被用作任務和中斷程序同步的手段。舉一個常見的例子，有一個串口設備，通過串口接收來自主機的命令并執(zhí)行相應的任務。串口每當收到數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生一個接收中斷，當收到回車符時表示主機端的用戶已輸入一串命令，這時串口中斷服務例程會給另外一個串口服務任務發(fā)信號量，由該任務來處理接收到的命令并實現(xiàn)相應功能。在這種情況下，等待該信號量的只有一個任務，而且串口中斷服務例程也清楚地知道向哪個任務發(fā)信號量。這種應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，那就是任務內(nèi)嵌的信號量。
在μC／OS—III中每個任務都有內(nèi)嵌的信號量，當任務被創(chuàng)建時，任務內(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，任務內(nèi)嵌信號量相關的服務函數(shù)都是以OSTaskSem???()的形式開頭，以區(qū)別于普通的信號量。
任務內(nèi)嵌的信號量相關的API函數(shù)如下：

和普通的信號量相比，當調用Pend操作時，無需指定等待的信號量，也無需指定等待的任務，因為默認要等待信號量的就是當前任務，而等待的就是其內(nèi)嵌的信號量。而opt參數(shù)、p_ts參數(shù)和普通信號量的調用參數(shù)一樣。前面提到，對于普通的信號量，任務調用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，然后填寫相關的數(shù)據(jù)域，并根據(jù)等待任務的優(yōu)先級將數(shù)據(jù)塊插入到信號量的等待列表OS_PEND_LIST中對應的位置。任務內(nèi)嵌的信號量不像普通的信號量那樣擁有OS_SEM類型結構體的各個數(shù)據(jù)域，而是只有信號量計數(shù)值SemCtr變量。因為對于任務內(nèi)嵌的信號量，只有該任務本身能對其進行等待操作，所以不需要普通信號量中的等待列表OS_PEND_LIST。當任務調用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，除了把任務從就緒表中移除外，只需簡單地把任務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)域用來指示任務在等待什么，如普通信號量、消息隊列、事件標志組等，而OS_TASK_PEND_ON_TASK_SEM表示任務等待的是任務內(nèi)嵌的信號量。
OSTaskSemPost()需要傳遞一個指向OS_TCB的指針，表示對哪個任務的內(nèi)嵌信號量進行Post操作。opt參數(shù)同樣支持“不調度模式”，但與普通信號量的OSSemPost()相比，沒有“廣播模式”。原因很簡單，任務內(nèi)嵌的信號量最多只有1個任務(就是該任務本身)在等待，因此不存在“廣播”的必要性。當別的任務或者中斷服務程序調用OSTaskSemPost()對某個任務的內(nèi)嵌信號量進行“發(fā)信號量”操作時，如果該任務在等待其內(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操作又進一步簡化了。

結語
μC／OS—III改進了信號量的使用，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“不調度模式”，提高了使用的靈活性。除此之外，每個任務都有一個內(nèi)部的信號量。和普通信號量相比，任務內(nèi)部信號量的操作簡化了，因此，在只有一個任務等待信號量的情況下使用任務內(nèi)嵌的信號量，可以大大提高通信效率。