μC／OS－III對信號量的改進(jìn)

OS_PEND_LIST包括3個(gè)數據域：NbrEntries用來(lái)記錄等待列表中的條目數，也就是等待的任務(wù)數目；HeadPtr和TailPtr構成一個(gè)雙向鏈表，指向的是OS_PEND_DATA類(lèi)型的結構體。OS_PEND_DATA是μC／OS—III內部的一個(gè)數據類(lèi)型，每當任務(wù)因等待信號量而被掛起時(shí)，內核就會(huì )新建一個(gè)對應的OS_PEND_DATA類(lèi)型的數據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(wù)的OS_TCB的指針以及其他數據域。在這里，最重要的細節是，μC／OS-III是按照任務(wù)優(yōu)先級從高到低的順序來(lái)排列雙向鏈表中的OS_PE ND_DATA數據塊的。也就是說(shuō)，每當有一個(gè)新的OS_PEND_DATA數據塊需要插入到雙向鏈表時(shí)(也就是任務(wù)因等待信號量而被掛起時(shí))，內核會(huì )從鏈表頭部開(kāi)始掃描各個(gè)OSPEND_DATA數據塊所對應的等待任務(wù)的優(yōu)先級(通過(guò)OS_PEND_DATA數據塊內部的TCBPtr指針可以從任務(wù)控制塊內部獲得任務(wù)的優(yōu)先級)，直到找到比當前需要插入的任務(wù)的優(yōu)先級低的任務(wù)，然后把新的OS PEND_DATA數據塊插入到該位置前。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(jiǎn)單，優(yōu)先級相同，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，當用戶(hù)釋放信號量時(shí)，總是雙向鏈表頭部的任務(wù)獲得信號量，而不必再執行“查找最高優(yōu)先級”的過(guò)程了。
μC／OS—III提供的信號量相關(guān)的最常用的幾個(gè)API函數如下：

OSSemCreate()函數和μC／OS—II中的類(lèi)似，需要指定信號量的初始值，還需額外指定信號量的名稱(chēng)以便于調試。
OSSemPend()函數多了兩個(gè)參數：opt和p_ts。p_ts是指向時(shí)間戳的指針，當任務(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(shí)，內核會(huì )把釋放信號量(或者任務(wù)取消等待或信號量被刪除)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(hù)可以計算從信號量被釋放到實(shí)際獲得信號量的時(shí)間。opt參數用來(lái)指定該等待操作是否是阻塞的。在μC／OS—II中，當用戶(hù)對信號量執行Pend操作而信號量無(wú)效時(shí)任務(wù)會(huì )被掛起，而μC／OS—III通過(guò)opt參數支持以“非阻塞”的方式調用。這種情況下，即使等待的信號量無(wú)效，任務(wù)也會(huì )返回，而不是被掛起，內核會(huì )通過(guò)返回代碼告訴用戶(hù)此時(shí)信號量無(wú)效?！胺亲枞狈绞娇梢詰糜趯蚕碣Y源的訪(fǎng)問(wèn)，比如當某資源不可用時(shí)用戶(hù)可能并不希望任務(wù)被掛起，而是執行其他操作，等待一段時(shí)間后再次查詢(xún)資源。但如果要實(shí)現任務(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)信號量查詢(xún)函數OSSemQuery()，可以用來(lái)獲得信號量?jì)炔康挠嫈抵岛偷却斜?，用?hù)可使用“查詢(xún)信號量”的辦法來(lái)實(shí)現類(lèi)似“非阻塞”的等待方式。而在μC／OS-III中，由于OSSemPend()函數本身就支持“非阻塞”模式，因此并沒(méi)有再提供查詢(xún)信號量的函數，這也比“查詢(xún)信號量”的辦法更加高效。
OSSemPost()同樣增加了一個(gè)opt參數，除了普通的Post操作外，還允許“廣播模式”和“不調度模式”?！皬V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入就緒態(tài)；而“不調度模式”是指該次Post操作后不進(jìn)行任務(wù)調度，當用戶(hù)連續執行多個(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，因此當執行OSSem Post()操作時(shí)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(huì )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(wù)都被喚醒。

3 μC／OS-Ⅲ中任務(wù)內嵌的信號量
在很多應用中，信號量被用作任務(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)串口設備，通過(guò)串口接收來(lái)自主機的命令并執行相應的任務(wù)。串口每當收到數據就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)接收中斷，當收到回車(chē)符時(shí)表示主機端的用戶(hù)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)信號量，由該任務(wù)來(lái)處理接收到的命令并實(shí)現相應功能。在這種情況下，等待該信號量的只有一個(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)信號量。這種應用對信號量的功能需求實(shí)際被簡(jiǎn)化了，如果使用普通的信號量來(lái)實(shí)現該應用，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(wù)內嵌的信號量。
在μC／OS—III中每個(gè)任務(wù)都有內嵌的信號量，當任務(wù)被創(chuàng )建時(shí)，任務(wù)內嵌的信號量會(huì )被自動(dòng)創(chuàng )建，且初始計數為零。在μC／OS—III中，任務(wù)內嵌信號量相關(guān)的服務(wù)函數都是以OSTaskSem???()的形式開(kāi)頭，以區別于普通的信號量。
任務(wù)內嵌的信號量相關(guān)的API函數如下：

和普通的信號量相比，當調用Pend操作時(shí)，無(wú)需指定等待的信號量，也無(wú)需指定等待的任務(wù)，因為默認要等待信號量的就是當前任務(wù)，而等待的就是其內嵌的信號量。而opt參數、p_ts參數和普通信號量的調用參數一樣。前面提到，對于普通的信號量，任務(wù)調用OSSemPend()而被掛起時(shí)，內核會(huì )新建一個(gè)OS_PEND_DATA類(lèi)型的數據塊，然后填寫(xiě)相關(guān)的數據域，并根據等待任務(wù)的優(yōu)先級將數據塊插入到信號量的等待列表OS_PEND_LIST中對應的位置。任務(wù)內嵌的信號量不像普通的信號量那樣擁有OS_SEM類(lèi)型結構體的各個(gè)數據域，而是只有信號量計數值SemCtr變量。因為對于任務(wù)內嵌的信號量，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。當任務(wù)調用OSTaskSemPend()而被掛起時(shí)，也不需要OS_PEND_DATA類(lèi)型的數據塊，內核要做的，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數據域置為OS_TASK_PEND_ON_TASK_SEM就可以了。PendOn數據域用來(lái)指示任務(wù)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(wù)等待的是任務(wù)內嵌的信號量。
OSTaskSemPost()需要傳遞一個(gè)指向OS_TCB的指針，表示對哪個(gè)任務(wù)的內嵌信號量進(jìn)行Post操作。opt參數同樣支持“不調度模式”，但與普通信號量的OSSemPost()相比，沒(méi)有“廣播模式”。原因很簡(jiǎn)單，任務(wù)內嵌的信號量最多只有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。當別的任務(wù)或者中斷服務(wù)程序調用OSTaskSemPost()對某個(gè)任務(wù)的內嵌信號量進(jìn)行“發(fā)信號量”操作時(shí)，如果該任務(wù)在等待其內嵌的信號量，則內核會(huì )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(jiǎn)化了。

結語(yǔ)
μC／OS—III改進(jìn)了信號量的使用，用戶(hù)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(gè)任務(wù)都有一個(gè)內部的信號量。和普通信號量相比，任務(wù)內部信號量的操作簡(jiǎn)化了，因此，在只有一個(gè)任務(wù)等待信號量的情況下使用任務(wù)內嵌的信號量，可以大大提高通信效率。