ucos-II（五）

1 任务间的同步
 制约关系：
  直接制约关系
  间接制约关系
 
直接制约关系源于任务间的合作
间接制约关系源于资源的共享
 
在多任务合作工作的过程中，操作系统应该解决两个问题：一是各任务间应该具一种互斥关系，即对于某个共享资源，如果一个任务正在使用，则其他任务只能等待，等到该任务释放该资源后，等待的任务之一才能使用它；二是相关的任务在执行上要有先后次序，一个任务要等其伙伴发来通知，或建立了某个条件才能继续执行，否则只能等待。任务之间的这种制约性的合作运行机制叫做任务间的同步。
 
 
2  事件
uC/OS-II使用信号量、邮箱和消息队列这些中间环节来实现任务之间的通信。这些中间环节则被统称为“事件”。
任务1是发信方，任务2是收信方。作为发信方，任务1的责任是把信息发送到事件上，这项操作叫做发送事件。作为收信方，任务2的责任是通过读事件操作对事件进行查询：如果有信息，则读取信息；否则等待。读事件操作叫做请求事件。
 
uC/OS-II 把任务发送事件、请求事件以及其他对事件的操作都定义成为全局函数，以供应用程序的所有任务来调用。


3  信号量是一类事件。使用信号量的最初目的，是为了给共享资源设立一个标志，该标志表示该共享资源被占用情况。
任务1在访问共享资源之前先进行请求信号量的操作，当任务1发现信号量的标志位为“1”时，它一方面把信号量的标志由“1”改为“0”，另一方面进行共享资源的访问。如果任务2在任务1已经获得信号之后来请求信号量，那么由于它获得标志值为“0”，所以任务2就只有等待而不能访问共享资源了。这种做法有效地防止两个任务同时访问同一个共享资源所造成的冲突。
4 消息邮箱
 在多任务操作系统中，常常需要在任务与任务之间通过传递一个数据的方式来进行通信。为了达到这个目的，可以在内存中创建一个存储空间作为该数据的缓冲区。如果把这个缓冲区叫做消息缓冲区，那么在任务间传递数据（消息）的一个最简单的方法就是传递消息缓冲区的指针。因此，用来传递消息缓冲区指针的数据结构叫做消息邮箱。任务1在向消息邮箱发送消息，任务2在从消息邮箱读取消息。读取消息也叫做请求消息。


5  消息队列
 上面读到的消息邮箱不仅可用来传递一个消息，而且也可定义一个指针数组。让数组的每个元素都存放一个消息缓冲区指针，那么任务就可通过传递这个指针数组指针的方法来传递多个消息。这种可以传递多个消息的数据结构叫做消息队列。任务1向消息队列发送消息缓冲区指针数组的指针，这个操作叫做发送消息队列；任务2在从消息队列读取消息缓冲区指针数组的指针，这个操作叫做请求消息队列。


6  等待任务列表
  对于等待事件任务的记录，uC/OS-II又使用了与任务就绪表类似的位图，即定义了一个INT8U类型的数组OSEventTbl[]来作为等待事件任务的记录表，即等待任务表。
  等待任务表仍然以任务的优先级别为顺序为每个任务分配一个二进制位，并用该位为“1”来表示这一位对应的任务为事件的等待任务，否则不是等待任务。


7  事件控制块的结构
 为了把描述事件的数据结构统一起来，uC/OS-II使用叫做事件控制块ECB的数据结构来描述诸如信号量、邮箱（消息邮箱）和消息队列这些事件。
  定义在文件uC/OS-II中的事件控制块的数据结构如下：
typedef struct
{
INT8U  OSEventType;       //事件的类型
INT16U  OSEventCnt;       //信号量的计数器
void  *OSEventPtr;         //消息或消息队列的指针
INT8U  OSEventGrp;        //等待事件的任务组
INT8U  OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE];         //任务等待表    
}
应用程序中的任务通过指针pevent来访问事件控制块。
成员OSEventCnt为信号量的计数器。
成员OSEventPtr主要用来存放消息邮箱或消息队列的指针。
成员OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE] 为等待任务表。
成员OSEventGrp表示任务等待表中的各任务组是否存在等待任务。
事件控制块ECB结构中的成员OSEventType用来指明事件的类型。


8  操作事件控制块的函数
(1).事件控制块的初始化函数
  调用函数EventWaitListInit()可以对事件控制块进行初始化。该函数作用是把变量OSEventGrp及任务等待表中的每一位都清0，即令事件的任务等待表中不含有任何等待任务。其原型如下：
void  OS_EventWaitListInit(
                        OS_EVENT * pevent    //事件控制块的指针
                      )
(2).使一个任务进入等待状态的函数
  调用函数OS_EventTaskWait()可以把一个任务置于等待状态。其原型如下：
void OS_EventTaskWait(
                    OS_EVENT * pevent      //事件控制块的指针
                   )
(3).使一个正在等待的任务进入就绪状态的函数
  调用函数OS_EventRdy()使正在等待的任务进入就绪状态。该函数的作用就是把调用这个函数的任务在任务等待表中的位置清0（解除等待状态）后，再把任务在任务就绪表中对应的位置1，然后引发一次任务调度。其原型如下：
INT8U  OS_EventTaskRdy(
                        OS_EVENT * pevent,          //事件控制块的指针
                        void  * msg,                //未使用
                        INT8U msk                  //清除TCB状态标识码
                     )
(4).使一个等待超时的任务进入就绪状态的函数
  调用函数OS_EventTO()使一个等待超时的任务进入就绪状态。其原型如下：
void  OS_EventTO(
                                  OS_EVENT * pevent       //事件控制块指针
                                )
9 空事件控制块链表
  链表中的所有控制块尚未与具体事件相关联，该链表为空事件控制块链表。
10  信号量
   当事件控制块成员OSEventType的值被设置为OS_EVENT_TYPE_SEM时，这个事件控制块描述的就是一个信号量。信号量由信号量计数器和等待任务表两部分组成。
   信号量使用事件控制块的成员OSEventCnt作为计数器，而用数组OSEventTbl[]来充当等待任务表。
11 信号量的操作
 (1).创建信号量
  调用函数OSSemCreate()创建一个信号量。该函数原型如下：
OS_EVENT  * OSSemCreate(
                         INT16U cnt          //信号量计数器初值
                       );
 函数的返回值为已创建的信号量指针。
(2).请求信号量
 调用函数OSSemPend()请求信号量。该函数原型如下：
void  OSSemPend(
                  OS_EVENT  * pevent,    //信号量的指针
                  INT16U  timeout,       //等待时限
                  INT8U   *err          //错误信息
               )；
参数pevent是被请求信号量的指针。
 
当一个任务请求信号量时，如果希望在信号量无效时准许任务不进入等待状态而继续运行，则不调用函数OSSemPend(),而是调用函数OSSemAccept()来请求信号量。该函数原型如下：
INT16U  OSSemAccept(
                       OS_EVENT  * pevent     //信号量的指针  
                   );
(3).发送信号量
 任务获得信号量，并在访问共享资源结束以后，必须释放信号量。释放信号量也叫做发送信号量。发送信号量须调用函数OSSemPost()。函数OSSemPost()在对信号量的计数器操作之前，首先要检查是否还有等待该信号量的任务：如果没有，则将信号量计数器OSEventCnt加1；如果有，则调用调度器OS_Sched()去运行等待中优先级别最高的任务。
函数OSSemPost()的原型如下：
INT8U  OSSemPost(
                   OS_EVENT  * pevent   //信号量指针
                );
如果调用成功，则函数的返回值为OS_ON_ERR;否则会根据具体错误返回OS_ERR_EVENT_TYPE、OS_SEM_OVF。
 
(4).删除信号量
  调用函数OSSemDel()来删除信号量。该函数原型如下：
OS_EVENT  * OSSemDel(
                        OS_EVENT  *  pevent,        //信号量的指针
                        INT8U  opt,                 //删除错误选项
                        INT8U  * err                //错误信息
                    )
(5).查询信号量的状态
调用函数OSSemQuery()来查询信号量的当前状态。该函数的原型如下：
INT8U OSSemQuery(
                 OS_EVENT * pevent,        //信号量指针
                 OS_SEM_DATA * pdata      //存储信号量状态的结构
                )
该函数的第二个参数pdata 是一个OS_SEM_DATA结构的指针。OS_SEM_DATA结构如下：
typedef struct{
     INT16U OSCnt;
     INT8U OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE];
     INT8U OSEventGrp;
} OS_SEM_DATA;


12  任务优先级的反转现象
在可剥夺内核中，当任务以独占方式使用共享资源时，会出现低优先级任务先于高优先级任务而被运行的现象，这就是任务优先级反转。
任务优先级低的任务B反而先于任务优先级高的A运行了。这种现象就叫任务优先级的反转。
   之所以出现优先级反转现象，是因为一个优先级别较低的任务在获得了信号量使用共享资源期间，被具有较高优先级别的任务所打断而不能释放信号量，从而使正在等这个信号量的更高级别的任务因得不到信号量而被迫处于等待状态，在这个等待期间，就让优先级低于它而高于占据信号量的任务的任务先运行了。显然，如果这种优先级别介于使用信号量的两个任务优先级别中间的中等优先级别任务较多，则会极大的恶化高优先级别任务的运行环境，是实时系统无法忍受的。
   解决问题的办法就是,使获得信号量任务的优先级别在使用共享资源期间暂时提升到所有任务最高优先级别的高一个优先级别上，以使该任务不被其他任务所打断，从而能尽快的使用完共享资源并释放信号量，然后在释放信号量之后，再恢复该任务原先的优先级别。


13  互斥型信号量
互斥型信号量是一个二值信号量。任务可以用互斥型信号量来实现对共享资源的独占处理。
 
(1).创建互斥型信号量
 创建互斥型信号量需要调用函数OSMutexCreate(),该函数原型如下：
OS_EVENT  *  OSMutexCreate(
                           INT8U  prio,   //优先级别
                           INT8U  *  err   //错误信息
                           );
(2).请求互斥型信号量
当任务需要访问一个独占式共享资源时，就要调用OSMutexPend(),该函数原型
如下：
void  OSMutexPend  (
                    OS_EVENT   * pevent,   //互斥型信号量指针
                    INT16U    timeout,     //等待时限
                    INT8U    * err         //错误信息
                   )；
任务也可调用函数OSMutexAccept()无等待地请求一个互斥型信号量。该函数的原型如下：
INT8U  OSMutexAccept  (
                        OS_EVENT  * pevent,  //互斥型信号量指针
                        INT8U * err           //错误信息
                       );
(3).发送互斥型信号量
任务可通过调用函数OSMutexPost()发送一个互斥型信号量。该函数原型如下：
INT8U  OSMutexPost(
                    OS_EVENT * pevent      //互斥型信号量指针
                  ); 
(4).获取互斥型信号量的当前状态
任务可通过调用函数OSMutexQuery()获取互斥型信号量的当前状态。该函数原型如下：
INT8U  OSMutexQuery(
                      OS_EVENT  * pevent,   //互斥型信号量指针
                      OS_MUTEX_DATA  * pdata   //存放互斥型信号量状态的结构
                    );
(5).删除互斥型信号量
任务可通过调用函数OSMutexDel()可以删除一个互斥型信号量。该函数原型如下：
OS_EVENT  * OSMutexDel(
                       OS_EVENT  *  pevent,   //互斥型信号量指针
                       INT8U   opt,     //删除方式选项
                       INT8U   * err     //错误信息
                      );


14  消息邮箱
消息邮箱是在两个需要通信的任务之间通过传递数据缓冲区指针的方法来通信的。
(1).创建消息邮箱
创建消息邮箱需要调用函数OSMboxCreate()，该函数原型如下：
OS_EVENT  OSMboxCreate(
                         void * msg     //消息指针
                       );
(2).向消息邮箱发送消息
 任务可以调用函数OSMboxPost()向消息邮箱发送消息，该函数的原型如下：
INT8U  OSMboxPost(
                  OS_EVENT  * pevent,  //消息邮箱指针
                  void  *  msg        //消息指针
                 );
函数OSMboxPostOpt()可以广播的形式向事件等待任务表中的所有任务发消息，该函数原型如下：
INT8U  OSMboxPostOpt(
                      OS_EVENT  * pevent,   //消息邮箱指针
                      void  *  msg,     //消息指针
                      INT8U   opt     //广播选项
                    );


(3).请求消息邮箱
当一个任务请求邮箱时需要调用函数OSMboxPend()，该函数主要作用就是查看邮箱指针OSEventPtr是否为NULL.如果邮箱指针OSEventPtr不是NULL,则把邮箱中的消息指针返回给调用函数的任务，同时可用OS_NO_ERR通过函数的参数err通知任务获取消息成功；如果邮箱指针OSEventPtr是NULL，则使任务进入等待状态，并引发一次任务调度。
函数OSMboxPend()的原型如下：
void * OSMboxPend(
                   OS_EVENT * pevent,    //请求消息邮箱指针
                   INT16U   timeout,   //等待时间
                   INT8U  *  err      //错误消息
                );
任务在请求邮箱失败时，也可以不进行等待而继续运行，如果以这种方式来请求邮箱，则任务需要调用函数OSMboxAccept()，该函数原型如下：
void   *  OSMboxAccept(
                       OS_EVENT  * pevent       //消息邮箱指针
                      );
(4).查询邮箱的状态
任务调用函数OSMboxQuery()查询邮箱的当前状态，并把相关信息存放在一个结构OS_MBOX_DATA中
INT8U OSMboxQuery(
                    OS_EVENT  * pevent,   //消息邮箱指针
                    OS_MBOX_DATA   * pdata   //存放邮箱信息的结构
                 );


OS_MBOX_DATA结构如下：
typedef struct
{
void *  OSMsg;        //消息邮箱指针
INT8U
};
(5).删除邮箱
任务可调用函数OSMboxDel()来删除一个邮箱。该函数原型如下：
OS_EVENT  *  OSMboxDel(
                        OS_EVENT  *  pevent,    //消息邮箱指针
                        INT8U   opt,       //删除选项
                        INT8U   *  err     //错误信息
                       );


15  消息队列
消息队列由三部分组成：事件控制块、消息队列和消息
(1).创建消息队列
创建消息队列需要调用函数OSQCreate()，该函数原型如下：
OS_EVENT  OSQCreata(
                     void* *start，     //指针数组的地址
                     INT16U  size      //数组长度
                   );
(2).请求消息队列
任务请求消息队列需要调用函数OSQPend()，该函数原型如下：
void  *  OSQPend(
                  OS_EVENT  *  pevent,    //所请求的消息队列的指针
                  INT16U   timeout,    //等待时限
                  INT8U  * err        //错误信息
                );
(3).向消息队列发送消息
任务需要通过调用函数OSQPost()或OSQPostFront()来向消息队列发送消息。前者是先进先出，后者是后进先出。两个函数原型分别如下：
INT8U   OSQPost(
                 OS_EVENT  *  pevent,    //消息队列指针
                 void  * msg                //消息指针
               );


INT8U  OSQPostOpt(
                   OS_EVENT  * pevent,    //消息队列指针
                   void  * msg          //消息指针
                 );
(4).清空消息队列
任务可以通过调用函数OSQFlush()来清空消息队列，该函数原型如下：
INT8U   OSQFlush(
                  OS_EVENT  * pevent    //消息队列指针
                );
(5).删除消息队列
任务可以通过调用函数OSQDel()来删除一个已存在的消息队列,该函数
原型如下：
INT8U OSQDel(
              OS_EVENT  *  pevent     //消息队列指针
           );
(6).查询消息队列
任务可以通过调用函数OSQQuery()来查询一个消息队列的状态，该函数原型如下：
INT8U  OSQQuery(
                  OS_EVENT  *  pevent,  //消息队列的指针
                 OS_Q_DATA  *  pdata    //存放状态信息的结构
               );


小结：
（1）在uC/OS-II中，信号量是一个表明一个共享资源被使用情况得标志，该标志实质上是一个计数器。如果计数器的值大于1，则叫作信号量，如果计数器的值只能为1和0两个数值，则叫作信号。
（2）能防止出现优先级反转现象的信号叫作互斥性信号量。
（3）消息邮箱是能在任务之间传递消息指针的数据结构。
（4）消息队列是能在任务之间传递一组消息指针的数据结构。
（5）信号量、消息邮箱和消息队列都叫作“事件”，每个事件都有一个用来记录等待事件的任务的表——任务等待表，而任务等待时限则被记录在OSTCBDly中。
（6）uC/OS-II统一用事件控制块来描述各种事件。
（7）通过事件发送事件，获取事件信息叫做请求事件。
（8）操作系统中各任务之间的同步与通信是通过各种各样的事件来完成的。