嵌入式OS入門筆記-以RTX為案例：八.RTX的進程間通訊（二）

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嵌入式OS入門筆記-以RTX為案例：八.RTX的進程間通訊（二）

 

RTX的進程間通訊主要依賴於四種機制，分別是事件（Event），互斥鎖（Mutex），旗語或訊號量（Semaphore），和郵箱（Mailbox）。前三種機制側重進程間的同步，郵箱則側重進程間的資料通訊。這次講一下訊號量和郵箱。

 

1.訊號量（Semaphore）

 

1.簡介

訊號量其實是一個很抽象的作業系統原語，它最早由荷蘭電腦科學家Dijkstra提 出，用於解決多項資源的分配問題。實際上訊號量的適用範圍非常廣，可以很好地解決很多問題。簡單說來，訊號量有三個部分，第一部分就是一個代幣容器（一個 整形變數），記錄著可用的資源數，第二部分就是取用資源（P或者proberen，嘗試的荷蘭語）的操作，第三個就是還回資源（V或者verhogen, 增加的荷蘭語）的操作。當資源數量為0時，任何取用資源的操作都會被阻斷，直到資源數量增加。剛剛接觸可能會覺得跟互斥鎖有點難區分，因為RTX中訊號量 的相關操作跟互斥鎖基本一致。先看看怎麼使用RTX中的訊號量。

 

類似互斥鎖，首先要聲明一個訊號量結構體。

OS_SEM semID;

然後需要初始化。

os_sem_init (semID,unsignedtoken_count);

這裡與互斥鎖不同的是，你需要指定初始的資源數，token_count，可以是任意非負整數，如果是0，就意味著一開始沒有資源可用。

然後當你需要取用資源時：

os_sen_wait (semID, timeout );

timeout的意義就不具體多說了，跟前面介紹的一致。如果成功取用了資源（token_count大於0），那麼token_count會減一，並且返回OS_R_OK。如果token_count為0，那麼就沒辦法取用資源，那麼這個函數會返回OS_R_SEM，並且進程進入WAIT_SEM狀態。

當你用完了資源，需要返回資源時，（token_count增加1）：

os_sem_send (semID);

和互斥鎖不同的是，當前進程不需要擁有資源，也可以調用該服務，去增加資源數！

該服務的中斷版本：

isr_sem_set (semID);

 

2.訊號量和互斥鎖的區別

一般的誤區是，訊號量用於管理多個只能獨享的資源。我們重新考慮上一次提到的情境：整棟房子只有一個公用廁所（共用資源），要使用廁所就要去前台拿鑰匙（互斥鎖），用完廁所後需要還鑰匙給前台。在這種情況下，使用互斥鎖機制肯定沒問題，那麼使用訊號量機制會有問題嗎？

如果所有人（進程）都循規蹈矩，那沒問題。但如果有人沒有去廁所，但也還了一把鑰匙給前台，那會發生什麼事？那就會有兩把鑰匙，通向同一個廁所，如果當前有 人在上廁所，另外一個人也想要上，前台也會給鑰匙給第二個人，那麼就會發生尷尬的情況。這個在使用訊號量時是有可能的，因為當前進程不需要擁有資源，就能 夠os_sem_send!所以哪怕在這種最簡單的情況下，也是很有可能誤用訊號量的。

複雜一點的情況，我們考慮如果有兩個公用廁所，如果使用互斥鎖，那就要聲明並初始化兩個互斥鎖，分別管理兩個廁所。那麼使用訊號量機制，初始化一個os_sem_init (toilet,2);的訊號量會不會有問題呢？如果我們不考慮有人惡意還鑰匙（os_sem_send誤用）的話，好像沒問題，因為訊號量本身就是為了這樣的情境（管理多個獨享資源）而設計的？

實際上，一樣是會有問題的，因為訊號量實際上是不區分資源的，而且也不會記錄資源使用的順序。按照我們的例子，也就是說前台會有兩把相同的鑰匙，任一一把都 可以開啟兩個廁所。假設第一個人去前台拿了一把鑰匙，進了廁所A，然後第二個人去前台拿了第二把鑰匙，實際上第二個人是無法得知，兩個廁所裡面有沒有人， 如果有，是哪一個廁所裡面有人。所以，也很有可能會發生尷尬的情況。

 

總的來說，當多個獨享資源的先後順序無關時（例如，生產者和消費者問題），使用訊號量才比較合適。

或者當進程本身同時是資源的佔用者和釋放者時，使用互斥鎖：

 

OS_MUTmutex;os_mut_init(mutex);.../*Task 1 */   os_mut_wait(mutex,0xFFFF);           // Critical Section   os_mut_release(mutex);... /*Task 2 */   os_mut_wait(mutex,0xFFFF);      // Critical Section   os_mut_release(mutex);...

當資源的釋放者不一定是進程的佔用者時，使用訊號量：

 

OS_SEMsempahore;os_sem_init(semaphore,0);.../*Task 1 - Producer */    os_sem_wait(semaphore,0xFFFF);   // Send the signal.../*Task 2 - Consumer */    os_sem_send(semaphore);  // Wait for signal...

 

3.幾個例子

訊號量的用法實在是太豐富，而且很容易誤用，具體可以參見《The Little Book of Semaphores》和RTX的官方文檔，這裡摘幾個經典的用法（修改過）作為例子：

 

Signaling

os_semsemaphore;__taskvoid task1 (void) {    os_sem_init (semaphore, 0);    while (1) {        Function1();        os_sem_send (semaphore);    }} __taskvoid task2 (void) {    while (1) {        os_sem_wait (semaphore, 0xFFFF);        Function2();    }}

這個用法是用於保證不同函數的調用順序（這是C語言很缺乏的一個特徵），在這個例子裡面，訊號量的作用就是確保在每一次調用Function2之前，Function1都有一次完整的調用。

 

Rendezvous

os_semArrived1, Arrived2;__taskvoid task1 (void) {    os_sem_init (Arrived1, 0);    os_sem_init (Arrived2, 0);    while (1) {        FunctionA1 ();        os_sem_send (Arrived1);        os_sem_wait (Arrived2, 0xFFFF);        FunctionA2 ();    }} __taskvoid task2 (void) {    while (1) {        FunctionB1 ();        os_sem_send (Arrived2);        os_sem_wait (Arrived1, 0xFFFF);        FunctionB2 ();    }}

這個用法是更通用的Signaling用法，目的是讓FunctionA1，functionB1都完成以後，再執行FunctionA2和FunctionB2。

 

Multiplex

os_semMultiplex;__taskvoid task(void){    os_sem_init (Multiplex, 5);    while (1) {        os_sem_wait (Multiplex, 0xFFFF);        Function ();        os_sem_send (Multiplex);    }}

這個用法能保證最多隻有五個進程能夠同時調用Function（）；

 

更多的例子，請參考上面提到的材料。

 

2.郵箱（Mailbox）

 

1.簡介

郵箱在RTX中往往是用於在進程間傳輸大段資料。簡單說來，一個郵箱就是一個使用者定義長度的隊列。隊列的每一個單元都是4bytes長，一個單元可以直接保 存資料（32位），或者儲存一個指標（地址），指向另外一段資料。用郵箱的一個問題就是要使用者手動分配記憶體和回收記憶體。下面先看看有哪些相關操作。

 

首先要建立一個郵箱，

os_mbx_declare(mailbox_name,mail_slots)；

在RTL.h中有這個的定義，具體是：

#define os_mbx_declare(name,cnt) U32name [4 + cnt]

也就是說郵箱其實是一個名字為mailbox_name，長度為mail_slots的U32數組。另外注意到，額外的4個slots，是用於管理郵箱的，而不是用來直接儲存資訊的。

 

建立完郵箱後就要初始化這個郵箱：

os_mbx_init (&mailbox_name,sizeof(mailbox_name));

發信：

os_mbx_send(&mailbox,msg_ptr,timeout)；

這裡的msg_ptr實際上是一個指標，指向需要發送的資訊，如果郵箱滿了，進程會被阻斷，進入WAIT_MBX狀態，直到有空間才會返回就緒狀態。 timeout的用法和前面的timeout一致。

同樣地，在ISR中有一個相應版本：

isr_mbx_send(&mailbox,msg_ptr）;

這會先調用isr_mbx_check(),去檢查郵箱是否已經滿了，如果滿了就會放棄當前的資訊，並且會被陷入os_error（）;

收信：

os_mbx_wait (&mailbox, &msg_ptr, timeout );

將收到的資訊，存入msg_ptr指向的地址。如果郵箱是空的，進程則會被阻斷，進入WAIT_MBX狀態，直到有新的資訊。

ISR的相應版本為：

isr_mbx_receive(&mailbox,&msg_ptr）;

2.BOX記憶體配置

在用郵箱的過程中，會經常涉及到RTX的記憶體配置問題，如果是變長的記憶體配置，malloc（） 和 free（）這些標準函數可以勝任，但RTX另外提供了一種處理定長記憶體塊的機制-BOX。

這裡大致簡單說一下，具體的用法請參考完整的郵箱例子。

_declare_box(box_name,block_size,block_count);

_init_box(box_name,box_size,block_size);

_alloc_box(box_name);

_calloc_box(box_name);

_free_box(box_name,)

基本上從名字就能知道其意義，和stdlib.h中的標準函數基本對應。

3.一個完整的例子

這個例子源於《RL-ARMUser‘s Guide》，小幅度修改：

os_mbx_declare(MsgBox, 16); /* Declare an RTX mailbox */U32 mpool[16*(2*sizeof(U32))/4 + 3]; /* Reserve a memory for 16 messages */__task void rec_task (void);__task void send_task (void) {    /* This task will send a message. */    U32 *mptr;    os_tsk_create (rec_task, 0);    os_mbx_init (MsgBox, sizeof(MsgBox));    mptr = _alloc_box (mpool); /* Allocate a memory for the message */    mptr[0] = 0x3215fedc; /* Set the message content. */    mptr[1] = 0x00000015;    os_mbx_send (MsgBox, mptr, 0xffff); /* Send a message to a 'MsgBox' */    os_tsk_delete_self ();}__task void rec_task (void) {    /* This task will receive a message. */    U32 *rptr, rec_val[2];    os_mbx_wait (MsgBox, (void**)&rptr,0xffff); /* Wait for the message to arrive. */    rec_val[0] = rptr[0]; /* Store the content to 'rec_val' */    rec_val[1] = rptr[1];    _free_box (mpool, rptr); /* Release the memory block */    os_tsk_delete_self ();}int main (void) {    _init_box (mpool, sizeof(mpool),sizeof(U32));    os_sys_init(send_task);}

3.小結這一部分是RTX中內容很豐富的一部分，簡短的三言兩語也許很難概括清楚，這裡也只是講了一些基本的用法。接下來會分析一些並行會遇到的問題。