任務(wù)間通信和同步有三種廣泛的范式：

任務(wù)擁有的設(shè)施 ——RTOS 賦予提供通信（輸入）設(shè)施的任務(wù)的屬性。我們將再看的例子是信號。

內(nèi)核對象 ——由 RTOS 提供的工具，代表獨(dú)立的通信或同步工具。示例包括：事件標(biāo)志、郵箱、隊(duì)列/管道、信號量和互斥體。

消息傳遞 ——一種合理化的方案，其中 RTOS 允許創(chuàng)建消息對象，這些對象可以從一個任務(wù)發(fā)送到另一個任務(wù)或多個其他任務(wù)。這是內(nèi)核設(shè)計的基礎(chǔ)，并導(dǎo)致將此類產(chǎn)品描述為“消息傳遞 RTOS”。

適合每種應(yīng)用的設(shè)施會有所不同。它們的功能也有一些重疊，一些關(guān)于可擴(kuò)展性的思考是值得的。例如，如果一個應(yīng)用程序需要多個隊(duì)列，但只需要一個郵箱，那么實(shí)現(xiàn)具有單項(xiàng)隊(duì)列的郵箱可能會更高效。這個對象會有點(diǎn)不理想，但所有郵箱處理代碼都不會包含在應(yīng)用程序中，因此，可伸縮性將減少 RTOS 內(nèi)存占用。

共享變量或內(nèi)存區(qū)域

任務(wù)間通信的一種簡單方法是只擁有所有相關(guān)任務(wù)都可以訪問的變量或內(nèi)存區(qū)域。雖然它非常原始，但這種方法可能適用于某些應(yīng)用程序。需要控制訪問。如果變量只是一個字節(jié)，那么對它的寫入或讀取可能是“原子”（即不可中斷）操作，但如果處理器允許對內(nèi)存字節(jié)進(jìn)行其他操作，則需要小心，因?yàn)樗鼈兛赡苁强芍袛嗟牟⑶铱赡軙?dǎo)致時間問題。實(shí)現(xiàn)鎖定/解鎖的一種方法是在短時間內(nèi)禁用中斷。

如果您正在使用內(nèi)存區(qū)域，當(dāng)然您仍然需要鎖定。使用第一個字節(jié)作為鎖定標(biāo)志是可能的，假設(shè)內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)促進(jìn)對該字節(jié)的原子訪問。一個任務(wù)將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存區(qū)域，設(shè)置標(biāo)志，然后等待它清除。另一個任務(wù)等待設(shè)置標(biāo)志，讀取數(shù)據(jù)并清除標(biāo)志。使用中斷禁用作為鎖定不太明智，因?yàn)橐苿诱麄€數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可能需要時間。

這種類型的共享內(nèi)存使用方式類似于在多核系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)許多處理器間通信設(shè)施的方式。在某些情況下，硬件鎖和/或中斷被合并到處理器間共享存儲器接口中。

信號

信號可能是傳統(tǒng) RTOS 中提供的最簡單的任務(wù)間通信工具。它們由一組位標(biāo)志組成——可能有 8、16 或 32 個，具體取決于具體實(shí)現(xiàn)——與特定任務(wù)相關(guān)聯(lián)。

任何任務(wù)都可以使用 OR 類型的操作設(shè)置一個信號標(biāo)志（或多個標(biāo)志）。只有擁有信號的任務(wù)才能讀取它們。讀取過程通常是破壞性的——即標(biāo)志也被清除。

在某些系統(tǒng)中，信號以更復(fù)雜的方式實(shí)現(xiàn)，以便在設(shè)置任何信號標(biāo)志時自動執(zhí)行由信號擁有任務(wù)指定的特殊功能。這消除了任務(wù)監(jiān)控標(biāo)志本身的必要性。這有點(diǎn)類似于中斷服務(wù)程序。

在以后的文章中將有更多關(guān)于信號的信息，其中描述了它們在 Nucleus SE 中的實(shí)現(xiàn)。

事件標(biāo)志組

事件標(biāo)志組類似于信號，因?yàn)樗鼈兪敲嫦蛭坏娜蝿?wù)間通信設(shè)施。它們可以類似地以 8、16 或 32 位的組來實(shí)現(xiàn)。它們與信號的不同之處在于它們是獨(dú)立的內(nèi)核對象；它們不“屬于”任何特定任務(wù)。

任何任務(wù)都可以使用 OR 和 AND 操作設(shè)置和清除事件標(biāo)志。同樣，任何任務(wù)都可以使用相同類型的操作詢問事件標(biāo)志。在許多 RTOS 中，可以對事件標(biāo)志組合進(jìn)行阻塞 API 調(diào)用；這意味著任務(wù)可能會暫停，直到設(shè)置了特定的事件標(biāo)志組合。當(dāng)詢問事件標(biāo)志時，還可能有一個“使用”選項(xiàng)可用，以便清除所有讀取標(biāo)志。

在以后的文章中提供有關(guān)事件標(biāo)志組的更多信息，其中描述了它們在 Nucleus SE 中的實(shí)現(xiàn)。

信號

量 信號量是獨(dú)立的內(nèi)核對象，它提供了一種標(biāo)記機(jī)制，通常用于控制對資源的訪問。大致有兩種類型：二進(jìn)制信號量（只有兩種狀態(tài)）和計數(shù)信號量（具有任意數(shù)量的狀態(tài)）。一些處理器支持便于輕松實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制信號量的（原子）指令。二進(jìn)制信號量也可以被視為計數(shù)限制為 1 的計數(shù)信號量。

任何任務(wù)都可能嘗試獲取信號量以獲取對資源的訪問權(quán)。如果當(dāng)前信號量值大于0，則獲取成功，信號量值遞減。在許多操作系統(tǒng)中，可以通過阻塞調(diào)用來獲取信號量；這意味著一個任務(wù)可能會被掛起，直到另一個任務(wù)釋放信號量。任何任務(wù)都可以釋放一個信號量，這會增加它的值。

在以后的文章中有更多關(guān)于信號量的信息，其中描述了它們在 Nucleus SE 中的實(shí)現(xiàn)。

郵箱

郵箱是獨(dú)立的內(nèi)核對象，它為任務(wù)提供了一種傳輸消息的方法。消息大小取決于實(shí)現(xiàn)，但通常是固定的。一到四個指針大小的項(xiàng)目是典型的消息大小。通常，指向一些更復(fù)雜數(shù)據(jù)的指針是通過郵箱發(fā)送的。一些內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了郵箱，因此數(shù)據(jù)只存儲在一個常規(guī)變量中，內(nèi)核管理對它的訪問。郵箱也可以稱為“交換”，盡管這個名字現(xiàn)在已經(jīng)不常見了。

任何任務(wù)都可以發(fā)送到郵箱，然后郵箱已滿。如果一個任務(wù)然后嘗試發(fā)送到一個完整的郵箱，它將收到一個錯誤響應(yīng)。在許多 RTOS 中，可以進(jìn)行阻塞調(diào)用以發(fā)送到郵箱；這意味著一個任務(wù)可能會被掛起，直到郵箱被另一個任務(wù)讀取。任何任務(wù)都可以從郵箱中讀取，這會再次使其為空。如果任務(wù)嘗試從空郵箱讀取，它將收到錯誤響應(yīng)。在許多 RTOS 中，可以進(jìn)行阻塞調(diào)用以讀取郵箱；這意味著一個任務(wù)可能會被掛起，直到郵箱被另一個任務(wù)填滿。

一些 RTOS 支持“廣播”功能。這使消息能夠發(fā)送到當(dāng)前在讀取特定郵箱時暫停的所有任務(wù)。

某些 RTOS 根本不支持郵箱。建議改為使用單條目隊(duì)列（見下文）。這在功能上是等效的，但會帶來額外的內(nèi)存和運(yùn)行時開銷。

在以后的文章中會提供有關(guān)郵箱的更多信息，該文章描述了它們在 Nucleus SE 中的實(shí)現(xiàn)。

隊(duì)列

隊(duì)列是獨(dú)立的內(nèi)核對象，它為任務(wù)提供了一種傳輸消息的方法。它們比郵箱更靈活、更復(fù)雜。消息大小取決于實(shí)現(xiàn)，但通常是固定大小和面向字/指針的。

任何任務(wù)都可能發(fā)送到隊(duì)列，并且這可能會重復(fù)發(fā)生，直到隊(duì)列已滿，此后任何發(fā)送嘗試都將導(dǎo)致錯誤。隊(duì)列的深度通常是用戶在創(chuàng)建或配置系統(tǒng)時指定的。在許多 RTOS 中，可以進(jìn)行阻塞調(diào)用以發(fā)送到隊(duì)列；這意味著，如果隊(duì)列已滿，一個任務(wù)可能會被掛起，直到隊(duì)列被另一個任務(wù)讀取。任何任務(wù)都可以從隊(duì)列中讀取。消息的讀取順序與發(fā)送順序相同——先進(jìn)先出 （FIFO）。如果一個任務(wù)試圖從一個空隊(duì)列中讀取，它將收到一個錯誤響應(yīng)。在許多 RTOS 中，可以進(jìn)行阻塞調(diào)用以從隊(duì)列中讀??；這意味著，如果隊(duì)列為空，則任務(wù)可能會暫停，直到另一個任務(wù)將消息發(fā)送到隊(duì)列。

RTOS 可能會支持將消息發(fā)送到隊(duì)列前面的功能——這也稱為“干擾”。一些 RTOS 還支持“廣播”功能。這使消息能夠發(fā)送到在讀取隊(duì)列時暫停的所有任務(wù)。此外，RTOS 可以支持可變長度消息的發(fā)送和讀?。贿@提供了更大的靈活性，但會帶來一些額外的開銷。

許多 RTOS 支持另一種稱為“管道”的內(nèi)核對象類型。管道本質(zhì)上與隊(duì)列相同，但處理面向字節(jié)的數(shù)據(jù)。

隊(duì)列的內(nèi)部操作在這里不感興趣，但應(yīng)該理解它們在內(nèi)存和運(yùn)行時的開銷比郵箱要多。這主要是因?yàn)樾枰S護(hù)兩個指針——指向隊(duì)列的頭部和尾部。

在以后的文章中有更多關(guān)于隊(duì)列和管道的信息，這些文章描述了它們在 Nucleus SE 中的實(shí)現(xiàn)。

互斥

信號量互斥信號量——互斥量——是獨(dú)立的內(nèi)核對象，其行為方式與正常的二進(jìn)制信號量非常相似。它們稍微復(fù)雜一些，并包含臨時所有權(quán)的概念（資源的，對其的訪問受到控制）。如果一個任務(wù)獲得了一個互斥鎖，那么只有同一個任務(wù)才能再次釋放它——互斥鎖（以及資源??）暫時歸任務(wù)所有。

并非所有 RTOS 都提供互斥鎖，但調(diào)整常規(guī)二進(jìn)制信號量非常簡單。有必要編寫一個“互斥量獲取”函數(shù)，該函數(shù)獲取信號量并記錄任務(wù)標(biāo)識符。然后一個互補(bǔ)的“互斥釋放”函數(shù)將檢查調(diào)用任務(wù)的標(biāo)識符，只有當(dāng)它與存儲的值匹配時才釋放信號量，否則它將返回錯誤。

Colin Walls 在電子行業(yè)擁有超過 30 年的經(jīng)驗(yàn)，主要致力于嵌入式軟件。Colin 經(jīng)常在會議和研討會上發(fā)表演講，并著有大量技術(shù)文章和兩本關(guān)于嵌入式軟件的書籍，他是 Mentor Embedded ［Mentor Graphics Embedded Software Division］ 的嵌入式軟件技術(shù)專家，常駐英國。