曹雷欣 孔祥坤

【關(guān)鍵詞】uC/OS-II任務(wù);多任務(wù)切換;信號(hào)量機(jī)制;任務(wù)TCB;Task控制塊

一、uC/OS-II的五種任務(wù)狀態(tài)的含義

（一）uC/OS-II其任務(wù)建立一般在多任務(wù)運(yùn)行前，子任務(wù)也可以動(dòng)態(tài)地被運(yùn)行著的任務(wù)建立。如果該任務(wù)被另一個(gè)未運(yùn)行任務(wù)所建，兩個(gè)任務(wù)中高優(yōu)先級(jí)任務(wù)將取得CPU的控制權(quán)。

（二）一個(gè)任務(wù)被創(chuàng)建后，可能處在以下五種狀態(tài)：

休眠態(tài)（Dormant State）指任務(wù)被調(diào)到內(nèi)存中準(zhǔn)備運(yùn)行，但還沒(méi)有被uC/OS-II內(nèi)核轉(zhuǎn)讓管理權(quán)時(shí)的狀態(tài)。

任務(wù)就緒態(tài)（Ready State）指將要運(yùn)行的任務(wù)準(zhǔn)備就緒，即將開(kāi)始運(yùn)行。

任務(wù)等待態(tài)（Waiting State）指等待一段時(shí)間然后將會(huì)被調(diào)用進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

中斷服務(wù)狀態(tài)（Interrupt Service State）指任務(wù)因高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占被中斷執(zhí)行，被迫進(jìn)入中斷服務(wù)例程的狀態(tài)。

執(zhí)行狀態(tài)（Executive state）指任務(wù)正處于運(yùn)行的狀態(tài)。

二、五種任務(wù)狀態(tài)之間互相切換的方法。

（一）就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、等待態(tài)轉(zhuǎn)為休眠態(tài)的切換方法：

一個(gè)任務(wù)處于就緒狀態(tài)或運(yùn)行狀態(tài)或等待狀態(tài)時(shí)，要想切換到休眠態(tài)需要調(diào)用OSTaskDel（）返回到休眠態(tài)。

（二）由睡眠態(tài)進(jìn)入就緒態(tài)的方法

任務(wù)處于休眠態(tài)要調(diào)用OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt0函數(shù)，這樣就可以把任務(wù)交給uC/OS-II內(nèi)核管理，同時(shí)進(jìn)入就緒態(tài)狀態(tài)（ Ready State），準(zhǔn)備運(yùn)行。

（三）由運(yùn)行態(tài)進(jìn)入等待狀態(tài)的方法

任務(wù)要想進(jìn)入運(yùn)行態(tài)需要OSTimeDly（）或OSTimeDlyHMSMO函數(shù)方法，任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)將等待下一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的、達(dá)到了就緒態(tài)的任務(wù)到來(lái)，并轉(zhuǎn)入CPU控制權(quán)。

將運(yùn)行態(tài)的任務(wù)變換成等待某一事件發(fā)生的等待態(tài)（WAITING State）需要調(diào)用OSSemPend（），OSMboxPend0，或OSQPend0函數(shù)。掛起任務(wù)（PendTask），由于等待事件或所需資源沒(méi)有就緒，CPU的控制權(quán)會(huì)被下一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的、提前進(jìn)入就狀態(tài)緒態(tài)的任務(wù)搶占。

（四）由等待狀態(tài)進(jìn)入就緒態(tài)

uC/OS-II系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)OSTimeTick（）發(fā)現(xiàn)處于等待態(tài)的任務(wù)等待時(shí)間片耗盡后，會(huì)切換任務(wù)進(jìn)入到就緒態(tài)。之前被掛起的任務(wù)發(fā)現(xiàn)等待的事件發(fā)生了（所需資源被釋放），也將進(jìn)入就緒態(tài)。這種消息可能來(lái)自系統(tǒng)的中斷服務(wù)例程或自某一個(gè)任務(wù)。

（五）運(yùn)行狀態(tài)與中斷狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換

一個(gè)處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)被內(nèi)部或外部的中斷了就進(jìn)入了中斷服務(wù)態(tài)（ISR）。子中斷服務(wù)程序當(dāng)執(zhí)行的任務(wù)被掛起時(shí)會(huì)交還CPU的使用權(quán)。

處于中斷狀態(tài)的任務(wù)當(dāng)中斷服務(wù)子程序執(zhí)行完返回后系統(tǒng)將會(huì)調(diào)用OSlnext（）函數(shù)使優(yōu)先級(jí)最高的并進(jìn)入就緒狀態(tài)的任務(wù)得以運(yùn)行。

（六）就緒狀態(tài)與運(yùn)行狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換

任務(wù)在處于就緒態(tài)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度OSStart（）函數(shù)執(zhí)行時(shí)，就進(jìn)入了運(yùn)行態(tài)。

一個(gè)正在運(yùn)行的狀態(tài)由于某種原因它的CPU使用權(quán)被剝奪時(shí)就進(jìn)入了就緒狀態(tài)。

（七）任務(wù)狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系在uC/OS-II中如圖1所示。

三、uC/OS-II多任務(wù)間的同步與通信

（一）多任務(wù)之間通信，在uC/OS-II系統(tǒng)中主要考慮了兩個(gè)問(wèn)題：

Task（任務(wù)）之間可以共享資源，但在資源訪(fǎng)問(wèn)上是一種互斥關(guān)系，是一種獨(dú)占式的共享。正在執(zhí)行的任務(wù)在沒(méi)有釋放獨(dú)占資源時(shí)，其他任務(wù)則只能等待;當(dāng)任務(wù)獲得任務(wù)執(zhí)行所需事件及資源都具備后，等待當(dāng)前任務(wù)結(jié)束會(huì)順序執(zhí)行，否則任務(wù)只能循環(huán)等待。

（二）任務(wù)間的通信

1、事件

uC/OS-II任務(wù)之間實(shí)現(xiàn)通信的媒介包括信號(hào)量、消息隊(duì)列和消息郵箱。事件之間的通信包括發(fā)送事件、請(qǐng)求事件，其操作就是任務(wù)把信息從一個(gè)事件發(fā)送到另一個(gè)事件上。請(qǐng)求事件又被叫做讀取事件，或者稱(chēng)之為等待事件。

2、信號(hào)量

信號(hào)量本質(zhì)上說(shuō)是事件，是uC/OS-II中實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信的一種機(jī)制設(shè)置。信號(hào)量的機(jī)制中有一種二值形式的信號(hào)量（兩種狀態(tài)），可以實(shí)現(xiàn)資源的獨(dú)占式共享，又叫做互斥型的信號(hào)量，其余信號(hào)量機(jī)制還有計(jì)數(shù)式信號(hào)量等。

在信號(hào)量機(jī)制的設(shè)計(jì)上，是基于打破請(qǐng)求保持的死鎖條件的考慮。為防止任務(wù)間因相互持有對(duì)方任務(wù)執(zhí)行所必需的資源，且繼續(xù)請(qǐng)求其他所需資源，造成多個(gè)任務(wù)都無(wú)法得到執(zhí)行的情況發(fā)生，因此在等待信號(hào)量的時(shí)間上規(guī)定了一個(gè)時(shí)限，即等待時(shí)限。當(dāng)任務(wù)等待時(shí)間超過(guò)規(guī)定，仍未等到這個(gè)信號(hào)，就強(qiáng)制命令該任務(wù)停止等待，釋放所保持資源。

在以?xún)?yōu)先級(jí)作為調(diào)度依據(jù)的可搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II的核心代碼中，優(yōu)先級(jí)的高低完全決定了任務(wù)獲得CPU使用權(quán)的先后順序。系統(tǒng)依據(jù)信號(hào)量獲得與否，決定調(diào)度任務(wù)能否被運(yùn)行。因此在某些使用信號(hào)量同步機(jī)制的實(shí)時(shí)任務(wù)中，有兩個(gè)限制任務(wù)能否運(yùn)行的條件：一是任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高下：二是正在等待信號(hào)量的獲得與否。

3、消息郵箱

uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，多任務(wù)間采用消息郵箱傳遞信息，這種方法很好地實(shí)現(xiàn)了任務(wù)間的通信。通常，多任務(wù)系統(tǒng)的內(nèi)存中有共享存儲(chǔ)區(qū)，以作消息緩沖。對(duì)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存取操作，可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的消息傳遞。消息郵箱的數(shù)據(jù)類(lèi)型是存取消息的指針型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4、消息隊(duì)列

消息郵箱可以在設(shè)計(jì)的時(shí)候設(shè)計(jì)為多個(gè)也可以為單個(gè)。多消息郵箱以指針數(shù)組的形式實(shí)現(xiàn)，一個(gè)個(gè)數(shù)組元素里存放著消息緩沖區(qū)指針的數(shù)組型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就是所謂的消息隊(duì)列，消息緩沖區(qū)以指針數(shù)組的方式一次實(shí)現(xiàn)多個(gè)消息傳遞。

四、uC/OS-II的多任務(wù)的管理與控制

（一）任務(wù)就緒表

uc/OS-II總是運(yùn)行進(jìn)入就緒狀態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的那一個(gè)。所有任務(wù)的就緒態(tài)都存放于在一個(gè)叫就緒表（ Ready List）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。就緒表是提供給任務(wù)調(diào)度使用的，無(wú)需用戶(hù)干預(yù)，系統(tǒng)會(huì)從若干個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)中找出相應(yīng)就緒的任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

（二）就緒表的構(gòu)成

就緒表由OSRdyGrp和OSRdyTbl[]構(gòu)成，在OSRdyGrp中，任務(wù)按優(yōu)先級(jí)分組，8個(gè)任務(wù)一組，當(dāng)前系統(tǒng)最多有64個(gè)優(yōu)先級(jí)，所以O(shè)SRdyGrp有8個(gè)有效位，一共可以對(duì)應(yīng)8組任務(wù)。每一位對(duì)應(yīng)一組任務(wù)，第O位對(duì)應(yīng)的就是優(yōu)先級(jí)0-7的任務(wù)，這8個(gè)任務(wù)之間是“或”的關(guān)系，只要一個(gè)任務(wù)處于就緒狀態(tài)，那么OSRdyGrp的第O位就是1，如下圖2所示。

（三）事件的等待任務(wù)列表

uC/OS-II實(shí)現(xiàn)事件管理的功能有兩個(gè)：一是對(duì)等待該事件或資源的所有任務(wù)，依據(jù)其到來(lái)的先后，對(duì)任務(wù)進(jìn)行記錄和排序;二是對(duì)正在等待執(zhí)行的所有任務(wù)，允許其在一定時(shí)間內(nèi)等待，而不是一直等待。uC/OS-II采用了與任務(wù)就緒表類(lèi)似的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)于等待事件任務(wù)的記錄和排序，定義一個(gè)8位整型（ INT8U）有記錄功能的數(shù)組OSEventTbl[]，作為等待任務(wù)的記錄表。uC/OS-II在事件機(jī)制上，還定義另一個(gè)8位整型（ INT8U）的變量OSEventGrp，作為等待任務(wù)記錄表中的任務(wù)組。

任務(wù)控制塊（ TCB）的成員函數(shù)OSTCBDly可以記錄任務(wù)的等待時(shí)件，在下個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍到來(lái)時(shí)，中斷服務(wù)程序?qū)?huì)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)超時(shí)任務(wù)時(shí)，TCB則將會(huì)把記錄從事件等待任務(wù)表中刪除，并重新恢復(fù)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。

（四）任務(wù)控制塊OS-TCB與任務(wù)棧OS_STK

OS-TCB這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就用來(lái)描述任務(wù)所具有的某些屬性的，uC/OS-II將會(huì)用它來(lái)對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行處理：

1、當(dāng)前任務(wù)被建立時(shí)，任務(wù)控制塊將被初始化;

2、當(dāng)前任務(wù)CPU使用權(quán)被搶占后，TCB將會(huì)保存任務(wù)的狀態(tài);

3、當(dāng)前任務(wù)重新獲得CPU使用權(quán)時(shí)，為了確保任務(wù)能夠從中斷之時(shí)繼續(xù)執(zhí)行下去，TCB會(huì)把保存的數(shù)據(jù)裝載到要執(zhí)行任務(wù)的堆棧中進(jìn)行恢復(fù)。

由于OS_TCB只有在任務(wù)創(chuàng)建之后才有意義，所以其全部駐留在RAM當(dāng)中。

任務(wù)堆棧（OS_STK）在uC/OS-II中的作用是保存任務(wù)運(yùn)行時(shí)涉及到的資源，例如使用到的寄存器、調(diào)用這個(gè)任務(wù)的返回地址，或者是任務(wù)內(nèi)部函數(shù)嵌套時(shí)用到的返回地址保存參數(shù)等。

（五）事件控制塊ECB

uC/OS-II中有關(guān)任務(wù)調(diào)度技術(shù)上，設(shè)置了一個(gè)事件控制塊（ ECB）。ECB的能夠把事件的等待任務(wù)表和與事件有關(guān)的信息捆綁在一起，并定義為事件。ECB這種結(jié)構(gòu)是用來(lái)存儲(chǔ)諸如信號(hào)量、郵箱（消息郵箱）和消息隊(duì)列等事件。

從OSEventTbI[OS_EVENT_TBL_SIZE]其定義來(lái)看，其實(shí)際為指針數(shù)組，其數(shù)據(jù)類(lèi)型和任務(wù)就緒表在定義格式上頗似。程序中，所有任務(wù)按照其優(yōu)先級(jí)高低，各自在表中占據(jù)一個(gè)二進(jìn)制位，以二值（1或者0）的形式來(lái)記錄。該位標(biāo)記對(duì)應(yīng)的任務(wù)是否是正在等待事件的任務(wù)，標(biāo)記任務(wù)狀態(tài)的這張表又被稱(chēng)為任務(wù)等待表。

1、事件控制塊的基本函數(shù)操作

TCB基本操作函數(shù)，其函數(shù)方法，都定義在內(nèi)核文件OS_CORE.C中，供信號(hào)量事件，消息郵箱事件，消息隊(duì)列事件來(lái)調(diào)用。

（1）事件控制塊的初始化函數(shù)

#if （OS_Q_EN&&（OS_MAX_QS>=2））11 0S_MBOX_EN ll OS_SEM_EN//初始化條件

void OSEventWaitListlnit （OS_EVENT *PREVENT）//指向TCB的指針OS_EVENT *PREVENT

該函數(shù)在任務(wù)調(diào)用OS***Create0函數(shù)時(shí)進(jìn)行事件創(chuàng)建，被OS****Create0函數(shù)作為子函數(shù)調(diào)用。在此指代：Sem，Mutex，Mbox，Q。

（2）切換Task進(jìn)入等待狀態(tài)的函數(shù)

需要把一個(gè)任務(wù)切換成等待狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用OSEventTaskWait0功能函數(shù)。

#if （OS_Q_EN&&（OS_MAX_QS>=2））11 0S_MBOX_EN|| OS_SEM_EN

void OSEventTaskWait （OS_EVENT*pevent）

上邊的OSEventTaskWait（）函數(shù)，將在任務(wù)調(diào)用函數(shù)OS***Pend0發(fā)送事件時(shí)，被OS***Pend0來(lái)調(diào)用。

（3）切換Task進(jìn)入正在等待就緒狀態(tài)的函數(shù)

在當(dāng)前任務(wù)中，調(diào)用OSEventTaskRdy0函數(shù)把該任務(wù)在Task等待表中所置位清0，等切換出等待狀態(tài)后，任務(wù)就緒表中把該任務(wù)所在的對(duì)應(yīng)，設(shè)置為1，新一輪的任務(wù)的調(diào)度工作將啟動(dòng)。

（六）空事件控制塊鏈表

空事件控制塊鏈表其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上，與管理任務(wù)控制塊的實(shí)現(xiàn)方法頗有相似，uC/OS-II把事件控制塊也組織成為兩條鏈表來(lái)管理。

uC/OS-II在系統(tǒng)完成初始化后，會(huì)在初始化函數(shù)OSlnit0中，按照應(yīng)用程序使用事件總數(shù)的最大值，創(chuàng)建OS_MAX_EVENTS個(gè)空事件塊，并以成員OSEventPtr作為鏈接指針組成單向鏈表。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了uG/OS-II的多任務(wù)切換方法和uG/OS-II的任務(wù)之間的通信機(jī)制。本文初步的對(duì)uC/OS-II的初步探究揭示了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS）的多任務(wù)的一般實(shí)現(xiàn)途徑，將對(duì)研究其他操作系統(tǒng)的多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)和管理機(jī)制的研究有一定的借鑒作用。