μC／OS-III的内核对象解析

摘要：μC／OS-III是Micrium公司于2011年8月1日发布的第三代占先式硬实时系统，虽然其某些功能弱于Linux、Android等市场占有率极高的系统，但其优点也是显而易见的，如强实时性、微内核、对微处理器的要求低等。本文对μC／OS-III的内核对象进行详细的分析。
关键词：μC／OS-III；μC／OS-III内核对象；信号量；消息队列；事件标志组

引言
    近年来，随着数字化技术的飞速发展，嵌入式产品应用在我们生活中的各个方面。嵌入式操作系统作为嵌入式产品的核心，起着越来越重要作用。μC／OS系列主要面向于对实时性、容错能力等要求较高的工业操作系统。
    μC／OS-III的内核对象相对于μC／OS-II有着较大的改变。其内核对象的结构更加完善。各内核对象都内置时间戳变量，使任务进行与实时性相关的调试更加便捷。任务内建消息队列后，中断程序可以直接发送消息给任务而不通过消息队列，这在一些采集信号频繁的应用中能大大提高其实时处理能力，从而提高整个系统的效率。

1 μC／OS-III内核对象的解析
1．1 信号量
    信号量常用于任务间的同步和互斥。创建信号量的前提条件是分配一个OS_SEM类型的结构体，信号量的信息均存储于该结构体中。此外，还需在程序中调用OS-ScmCreate()函数后μC／OS-III才能识别该信号量。
    
    其参数分别为OS_SEM结构体地址、信号量名、初始信号量计数值、错误代号。
    任务可调用OSSemPcnd()等待该信号量而被挂起。
    
    其参数分别为OS_SEM结构体地址、等待期满值、信号量失效模式、时间戳、错误代号。
    等待期满值：该值在其变量类型范围内任意设定，如果非0，则该任务对信号量的等待期为所设置的值。如果为0，则任务无限等待，除非其他任务调用OSSemPendAbort()取消了该函数继续等待信号量的到来。
    信号量失效模式：若该任务所等待的信号量无定义或已被删除，选择OS_OPT_PEND_BLOCKING，任务被挂起；选择OS_OPT_PEND_NON_BLOC KING，函数返回错误代号且任务继续执行。
    有关信号量的函数：
    信号量提交OSSemPend()
    信号量删除 OSSemDel()
    取消另一个任务等待信号量 OSSemPendAbort()
    设置信号量计数值 OSSemSet()
    信号量中还包括互斥信号量MUTEX，其结构与普通的信号量一样，但为了区分，μC／OS-III为其重新定义了结构体类型OS_MUTEX，互斥信号量用于临界资源的访问。
1．2 消息队列
    消息中承载的可以是数据区地址，也可以是函数的地址。任务得到其地址后便可访问目标数据或目标函数。消息存在于消息队列中，使用消息的前提是创建消息队列，每个消息队列需创建一个OS_Q类型的结构体用于存储该消息队列的相关数据。结构体OS_MSG_Q是消息队列构成的主要部分，其中存储着消息队列中首个消息和最后一个消息的地址，而消息中会保存后一个消息的地址，形成队列。这样，μC／OS-III就能高效地访问到消息队列中的每个消息。在程序中调用OSQCreate()函数后μC／OS-III才能识别用户创建的消息队列。消息队列及其消息如图1所示。

    消息队列创建函数为：
    
    其参数分别为：消息所被存放的消息队列地址、消息队列的名字、消息队列中所能存放的消息个数、错误代号。
    消息提交函数为：
    
    其参数分别为：消息所被存放的消息队列地址、消息所承载的数据的地址、消息所承载数据的字节数、消息的提交方式、错误代号。
    消息提交的方式共有4种：
    OS_OPT_POST_ALL消息提交给所有在队列中等待的任务。
    OS_OPT_POST_FIFO消息提交到消息队列的队尾。
    OS_OPT_POST_LIFO消息提交到消息队列的队首。
    OS_OPT_POST_NO_SCHED 消息被提交到消息队列，但不马上调用调度器。
    消息挂起函数为：
    
    其参数分别为：消息所被存放的消息队列地址、任务等待期满时间、消息队列失效模式、消息所承载数据的大小、时间戳、错误代号。
    任务等待期满时间是以时基为单位的。时间戳变量中保存了任务接收到消息时的时间戳、任务被取消等待该消息时的时间戳、消息队列被删除时的时间戳。用户也可以传入参数((CPU_TS*)0)不接收这个时间戳。错误代号中蕴含着函数的执行结果。
    需注意的是该函数有返回值，返回的是接收到消息中所指向数据区的地址。
    消息队列的其他API：
    删除消息队列 OSQDel()
    清空消息队列 OSQFlush()
    取消任务等待该消息 OSQPendAbort()
    以上函数均用于操作外建消息队列，μC／OS-III最让人振奋的就是任务可以内建消息队列，这不仅提高了μC／OS-III的效率，还简化了程序代码。
    任务内建消息队列的API如下：
    任务等待消息 OSTaskQPend()
    发送消息给消息队列 OSTaskQPost()
    清窄消息队列 OSTaskQFlush()
    取消任务等待该消息 OSQPendAbort()
    外部消息队列及任务内建消息队列如图2所示。

1．3 事件标志组
    事件标志组创建函数为：
    
    其参数分别为：事件标志组的地址、事件标志组的名字、初始化事件标志组、错误代号。
    事件标志组挂起函数为：
    
    其参数分别为：事件标志组的地址、任务所等待的标志位、任务等待期满时间、事件标志组的方式、时间戳、错误代号。
    事件标志组的方式选择需分为两部分：一部分为事件标志组失效时的处理方式，可选择OS_OPT_PENDBLOCKING和OS_OPT_PEND_NON_BLOCKI NG；另一部分是任务等待事件标志位的方式。
    所等待的标志位全部被清零：OS_OPT_PEND_FLAG_CLR_AND
    所等待的标志位或操作为0：OS_OPT_PEND_FLAG_CLR_OR
    所等待的标志位全部被置位：OS_OPT_PEND_FLAG_SET_AND
    所等待的标志位或操作为1：OS_OPT_PEND FLAG_SET_OR
    事件标志提交函数为：
    
    其参数分别为：事件标志组的地址、此函数中被操作的位、置位或清零、错误代号。
    事件标志组的其他API：
    删除事件标志组 OSFlagDel()
    取消任务等待事件标志组 OSFlagPendAbort()
    获取事件标志组中任务所关心的位 OSFlagPendGetFlagsRdy()
    事件标志组实现任务间的通信如图3所示。

2 小结
    μC／OS-III任务间的通信常通过信号量、消息队列、事件标志组实现。信号量的通信类似于任务间打招呼，如判断某条件是否成立。消息队列可分为任务内建消息队列和外部消息队列，任务内建消息队列一般用于接收少量消息(如中断程序发送过来的消息)，外部消息队列主要面向于多个任务共同等待的消息。事件标志组则用于多个任务间的同步。