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標題: ucos-同步與通信簡介 [打印本頁]

作者: 51黑專家 時間: 2016-5-10 01:19
標題: ucos-同步與通信簡介

第五節：同步與通信

一：同步

任務之間有各種各樣的關系來完成一個工作，有時候，一個任務的完成的齊納提需要另外一個任務給出的結果，任務之間的這種制約性的合作運行機制叫做任務間的同步。

總例：

A任務實現計算功能，B任務輸出A任務計算的結果，然后循環運行。A任務和B任務就必須同步，否則B任務輸出的可能不是A任務剛完成的結果，或則B任務訪問結果時，A任務正在修改，因而輸出錯誤的結果。A和B就是必須進行同步的任務。

二：互斥：

例中，A,B任務都要訪問計算結果這個共享資源，當時在A寫這個資源的同事，B必須等待，而不能再A寫到一半時候結束A而讓B來讀。這樣的共享資源成為臨界資源，這種訪問共享資源的排他性就是互斥。

臨界資源可以是全局變量，也可以是指針，緩沖區或鏈表等其他數據結構，也可以是打印機，硬盤等硬件。

互斥訪問臨界資源，操作系統有很多方法， ucos采用的方法有關中斷，給調度器上鎖和使用信號量等（但是，操作共享資源的時候都要進去臨界區）

三：臨界區

每個任務中訪問共享資源的那段程序成為臨界區，因為共享資源的訪問是要互斥的。

因為如果在訪問共享資源的時候進行任務切換，就可能導致災難性后果，在臨界區不允許任務切換，這是最根本的原則。----臨界區代碼要盡量短，能夠盡量在限定時間之內完成。

所以在進入臨界臨界區訪問共享資源之前，采用關中斷，、給調度器上鎖或使用信號量的方法，達到互斥的目的。

例：

int functionl(int p1)

{

OS_ENTER_CRITICAL(); //進入臨界區，不允許任務切換

訪問臨界區代碼段 //臨界區臨界區代碼，訪問臨界資源

OS_EXIT_CRITICAL(); //離開臨界區，允許任務切換

其他代碼 //其他代碼，可以在這些代碼執行期間進行任務切換。

}

四：任務事件：

事件就是在操作系統運行過程中發生的事情。

事件處理就是操作系統處理信號量，互斥信號量，時間表蜘蛛，郵箱，消息隊列信息的手段。

例：A任務寫緩沖區，B任務讀緩沖區。什么時候B任務應該運行呢？就是在A任務寫完緩沖區這個事件之后，需要調用OSSemPost()這樣的函數，釋放緩沖區資源。

在該函數中，發現有任務B在排隊等候緩沖區資源，于是調用任務切換函數將cpu給B，達到了任務間的無縫同步。

事件處理的對象主要有：信號量，互斥信號量，時間表蜘蛛，郵箱，消息隊列。

信號量，郵箱，消息隊列是消息的來源。

來消息了是一個事件，等待消息也是在等待時間的發生。

例如：OSSemPost()函數的功能就是執行的發信號量操作。

五：信號量：

信號量標識了共享資源的有效被訪問數量，于是要獲得共享資源的訪問權，就首先要得到信號量。

使用信號量管理共享資源，請求訪問資源就演變成為請求信號量了。

（因為資源是具體的東西，把他數字化之后，操作系統就便于管理這些資源）

在ucos中，信號量的取值范圍是16位的二進制整數，范圍是十進制的0--65535.或者是其他長度，如8位，32位。

簡單使用信號量的3種操作：

1：建立creat

建立并且初始化信號量，在一個事件中標識該信號，記錄該信號的量值。

2：請求pend

請求信號，如果還有信號量，就去請求一個，（信號量--）執行下去，如果沒有，就要把自己阻塞掉（不能執行下去就不需要占用cpu）

3：釋放post

訪問資源的操作完成之后（信號量++）.

例：A,B兩個任務通過信號量同步：過程如下：

首先創建信號量S,因為該緩沖區本質上是全局的一個數組，屬于臨界資源，因此設置信號量的初值為1。另外，該信號量使用一個事件控制塊。

A任務請求信號量S，做pend操作（請求）。

因為信號量S=1，所以請求得到滿足，pend操作中將S減1變為0.

任務A繼續執行，訪問緩沖區。

繼

任務A在執行過程中因為其他的時間而阻塞，任務B得到運行，要訪問緩沖區，因此請求信號量S，做pend操作。

因為信號量S=0，請求不能得到滿足，任務B只能被阻塞。S的值保持為0.

注：但是在信號量S所使用的時間控制模塊中，標記了事件B在等待信號量S的信息。

任務A在滿足時繼續執行，訪問緩沖區完成后，做post操作釋放緩沖區。

Post操作中將S加1，S的值變為1.

在post操作中，由于事件控制塊中，標記了事件B在等待信號量S的信息，且我們設置任務B有更高的優先級，操作系統調用任務切換函數，切換到任務B運行，使任務B獲得信號量，訪問A寫好的緩沖區。

任務B訪問完成，再釋放該信號量，任務A又可以訪問該緩沖區了。

六：互斥信號量：

是一種特殊的信號量（不僅在于該信號量只有用于互斥資源的訪問，還在于使用互斥信號量管理需要解決優先級反轉問題。）

優先級反轉：
例：系統中有三個任務，分別是高優先級A、中優先級B、低優先級C：
當低優先級的任務在運行時候訪問互斥資源，而中優先級的任務運行時將使低優先級的任務得不到運死抱著資源不放。
這時，高優先級的任務開始運行的時候，必須等待中優先級的任務運行完成，然后等待低優先級任務的任務訪問資源完成才行。
如果在低優先級的任務訪問資源過程中又有中優先級任務運行，那么高優先級的任務只有繼續等待。這種情況叫優先級反轉。

在ucosii對互斥信號量的管理中，針對這個問題采用了優先級繼承機制
優先級繼承機制：是一種對占用資源的任務的優先級進行升級的機制，用以優化系統的調度。

例：
當前的任務的優先級是比較低的。
高優先級的任務請求互斥信號量的時候因為信號量已被占有，所以只有阻塞。這時有中優先級的任務就緒。

如果不采用優先級繼承，那么高優先級的任務是競爭不過中優先級的任務。
采用優先級繼承機制，將占有資源的低優先級的任務臨時設置為一個很高的優先級，允許其在占有資源的時候臨時獲得特權，先于中優先級任務完成，在訪問互斥資源結束又回到原來的優先級，這樣高優先級的任務就會先于中優先級的任務運行，解決了這個問題。

七：事件標志組：
1：多個事件都發生
2：多個事件中有一個事件發生
3：多個事件都沒有發生
4：多個事件中有任何一個事件沒有發生。

如果任務要等待多個事件的發生，或多個事件中的某一個事件的發生就可以繼續運行，那么應該采用事件標志組管理。
事件標志組管理的條件組合可以是多個事件都發生，也可以是多個事件中有任何一個事件發生。尤其特別的是，還可以是多個事件都沒有發生或多個事件中有任何一個事件沒有發生。

八：消息郵箱和消息隊列
操作系統通過郵箱來管理人物間的通信與同步，郵箱中的內容不是信件本身，而是指向消息內容的地址。
注：消息的內容不是消息本身而是地址（指針），指針所指向的內容才是任務想得到的東西。
這個指針是void類型的，可以指向任何數據結構。這樣說發送的信息范圍也更寬，郵箱中可以容納下任何長度的數據。

例如：
我們打開自己的郵箱，發現一封信，信的內容是“中國浙江省杭州市河坊街123號”。那么在河坊街的123號，我們可以找到自己想要的東西。
如果郵箱里面沒有內容，那么我們看到的就是個空地址。

在取得事件控制塊之后，要設置他的類型：是信號量型還是郵箱型。（郵箱和信號量都保存在事件控制塊中。）
（因為一個事件控制塊可以作為信號量的容器，也可以作為郵箱的容器，但是不能同時作為兩者的容器）

A,B兩個任務通過發消息來同步訪問緩沖區：過程如下：
任務A創建緩沖區，寫緩沖區，發消息。
任務B請求消息，如果郵箱里面沒有消息，就把自己阻塞，如果有，就讀取消息。
任務B最終讀取消息后，根據郵箱里的地址讀取緩沖區。

什么情況下采用消息而不是信號量來完成同步和通信：
假如A寫緩沖區，B讀緩沖區，但是緩沖區是A創建的，B并不知道它在哪里，但是B知道緩沖區的類型是10個字節長的數組。

消息隊列： 也用于給任務發消息，但是它是由多個消息郵箱組合形成的，是消息郵箱的集合。，實質上是消息郵箱的隊列。
一個消息郵箱只能容納一條消息，
采用消息隊列，一是可以容納多條消息，二是消息是有序的。

消息隊列消息信息量的異同：
相同：消息隊列同樣采用事件控制塊來指示消息的位置和標記等待消息的任務。
不同：
消息隊列自身有消息控制塊這樣的數據結構，事件控制塊中指示的不再是消息的地址，而是消息控制塊的地址，使用消息控制塊可以先進先出的方式管理多條消息。

第四節：基于優先級的可剝奪內核
內核是操作系統最核心的部分，
內核的主要功能是進行任務調度。
內核中最核心的本服務就是調度的核心--------任務切換。
調度：決定多任務的運行狀態（哪個任務應該處于哪種狀態）

時間：內核也是程序，運行要占用cpu的時間，即內核要和用戶程序之間爭奪cpu，因此，實時內核要設計得運行效率盡可能的快，調度算法應該盡可能的好。（比較好的內核系統，內核占用cpu的2%-5%負荷。ucos可以。）

空間：內核還要占用大量的空間。因為要進行任務調度，就會有大量的數據結構（任務控制塊，就緒表，信號量，郵箱，消息隊列等），并且為了進行任務切換，每個任務都有自己的堆�？臻g，占用大量的RAM空間。
（所以沒有擴充內存的單片機系統因為沒有足夠的內存空間就不能運行ucos）

ucos使用的是一種基于優先級的可剝奪型內核
一：基于優先級的調度算法：

在ucos中，可以同時又64個就緒任務，每個任務都有各自的優先級（優先級用0—63的無符號整數來表示，數字越大則優先級越低）
ucos總是調度就緒了的、優先級最高的任務獲得cpu的控制權。

二：不可剝奪型內核和可剝奪型內核

（一）：不可剝奪型內核含義：當任務一旦獲得了cpu的使用權得到運行，如果不將自己阻塞，將一直運行。
(不管是否有更緊迫的任務（優先級更高的任務）在等待。注：高優先級的任務已經進入就緒態。)。就算發生了中斷，也只讓中斷服務程序運行（不論中斷服務程序是否創建了更高優先級的任務，也都要返回原任務運行）。

例：
不可剝奪型內核的調度：
1：在任務A運行時發生中斷，進入中斷服務程序（使更高優先級任務B就緒）。
2：從中斷返回，繼續運行任務A
3：任務A結束，任務B獲得運行。

分析：
1：任務A由于優先級較低，在運行中發生了中斷時，cpu將控制權交給中斷服務函數，任務A被掛起。
2：中斷服務程序將更高優先級的任務B從睡眠態或者阻塞態恢復到就緒態。
中斷服務程序返回，由于采用不可剝奪型內核，將cpu仍交給任務A運行。
3：知道任務A運行完成或者被阻塞，才將cpu交給任務B，任務B才得到運行。

綜上所述：采用不可剝奪型內核缺點在于其響應時間。
高優先級的任務就算進入了就緒轉臺，還必須等待低優先級的任務運行完成或者阻塞后猜得到運行，相應時間不能確定。
因此：不可剝奪型內核不適合實時操作系統。

（二）：可剝奪型內核： 是這樣調度的：最高優先級的任務一旦就緒，就能獲得CPU的控制權而得到運行，而不管當前運行的任務運行到什么狀態。

例：

可剝奪型內核調度：
1：任務A運行發生中斷，進入中斷服務程序
2：從中斷返回，任務B優先級較高獲得運行
3：任務B結束，任務A恢復運行。

分析：在可剝奪型內核的調度下，在中斷服務程序中就緒了更高優先級的任務B，
2：在中斷返回后因為優先級最高，所以獲得了cpu控制權得到運行。
3：任務B運行結束后，任務A猜得到運行。

因此：可剝奪型內核采用了搶占式的調度策略，總是讓優先級最高的任務運行，直到其阻塞或者完成，任務響應的時間因此是最優化的。
因為操作系統總是以時鐘中斷服務程序作為調度的手段，而時鐘中斷時間是可知的，高優先級任務的運行時間也是可知的
因此適合于實時操作系統。

第六節：中斷和時鐘

一：中斷
嵌入式實時操作系統的中斷是指在任務的執行過程中，當出現異常情況或者特殊請求時，停止任務的執行，轉而對這些異常情況或者特殊請求進行處理，處理結束后再返回當前任務的間斷處，或由于中斷服務函數使更高優先級的程序就緒，轉而執行優先級更高的任務。

中斷是實時地處理內部或外部事件的一種內部機制。
這里，異常情況或特許請求時中斷源，稱為異步事件。
處理異步事件所用的程序是中斷服務程序。

例：
工作時，手機響了，于是先接電話，接完電話后繼續工作。
手機是中斷源，接電話是中斷服務程序。

如果不接電話繼續工作，這是對中斷的不理會，或稱中斷被屏蔽了。
工作前關掉手機，直接禁止中斷。

在ucos中，中斷處理過程如圖：

當任務A在運行的時候，由于中斷的到來，
1：操作系統先保存任務A當前的運行環境，
2：接著進入中斷服務程序
3：在中斷服務程序后，由于采用可剝奪型內核，如果A仍是最高優先級任務，就恢復A運行的環境，繼續運行A，否則將運行一個更高優先級的任務

二：時鐘

時鐘是一種特定的周期性中斷------時鐘節拍。（在ucos中起到心臟的作用）
操作系統能夠同步，最根本的硬件條件是系統在統一的時鐘下工作。

在ucos中，通過對硬件的設置，使在10~200ms的時間間隔內產生一次時鐘中斷，
在該時鐘中斷服務程序中，對延時的任務進行延時計數，檢查系統中是否有高優先級的任務就緒而沒有得到運行，相應進行任務調度。
因此。如果沒有時鐘中斷服務，就沒有多任務操作系統的任務調度，也談不上實時。
我們把這種周期性中斷稱為時鐘節拍，對應的中斷服務程序稱為時鐘中斷服務程序。

第七節：內存管理
內存很寶貴，在ucosii中，采用分區的方式管理內存-----將連續的大塊內存按分區來管理，每個系統中有數個這樣的分區，每個分區又包含數個內存塊，每個內存塊大小相同。這樣，在分配內存的時候，根據需要從不同的分區中得到數個內存塊，而在釋放時，這些內存塊重新釋放回他們原來所在的分區。

為了方便內存管理，ucos采用內存控制塊來管理內存。
內存控制塊記錄了內存分區的地址、分區中內存塊的大小和數量，以及空閑塊的數量等信息。

內存管理包含了內存分區的創建、分配、釋放、使用、等待系統調用。

作者: terrychen 時間: 2016-8-15 15:31
寫的非常不錯,學習一下

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