基于μC／OS-Ⅲ的多任務間郵箱機制分析與應用

摘要：為靈活、有效地在多任務程序設計中應用μC／OS-Ⅲ操作系統中的郵箱，采用理論分析與實例實驗相結合的方法，得到基于μC／OS-Ⅲ操作系統的郵箱機制在全雙工任務間通信、二值信號量和充當延遲函數等方面的應用技巧和方法。實驗表明，郵箱的靈活應用不僅可以實現傳統的任務間數據通信，還可以方便地替代互斥信號量和實現延時功能。
關鍵字：嵌入式系統；任務間通信；μC／OS-Ⅲ；郵箱

0 引言
嵌入式系統軟件通常由多個功能模塊構成，而模塊的功能一般由基于嵌入式操作系統的任務來實現。在實際應用中，常需要進行任務間通信來實現特定的功能，如變量的傳遞、資源的共享等，這就需要針對操作系統建立可靠的任務間通信，而郵箱是最常用的任務間通信機制之一。本文基于μC／OS-Ⅲ嵌入式實時操作系統，研究了郵箱的使用和技巧，不僅探討了郵箱在傳統任務間通信和數據的傳遞中的應用，還通過實例研究了郵箱在二值信號量和實現延時功能中的靈活應用。

1 μC／OS-Ⅲ簡介
嵌入式實時操作系統(RTOS)是嵌入式系統的關鍵組成部分。近年來，μC／OS-Ⅲ操作系統以其較小的體積、開放的源碼和值得信賴的可靠性獲得了工程技術人員的青睞。2011年，μC／OS-Ⅲ的升級版μC／OS-Ⅲ發布。μC／OS-Ⅲ秉承了前一版本的優點，是一個高度可移植、可固化、可擴展，具有優先搶占的實時性，專為滿足當今嵌入式系統的苛刻要求的多任務內核，它的最大改進之處在于允許多個任務運行于同一優先級上，相同優先級的任務按時間片輪轉調度，內核對象的數量不受限制以及接近于零的終端禁用時鐘周期。μC／OS-Ⅲ內核為程序員提供了高效的實時任務調度、中斷管理以及任務間通信。與前期版本不同，μC／OS-Ⅲ支持無限多個任務，無限多個優先級，無限多個信號量，同時支持互斥信號量、消息郵箱等任務間通信方式。

2 任務間通信與郵箱的應用
由于嵌入式系統軟件通常由基于操作系統的若干個任務實現，因此，不可避免的需要任務之間或中斷服務子程序與任務間的通信，這種信息傳遞機制稱為任務間的通信。μC／OS-Ⅲ任務間的通信可以通過共享內存、信號量、任務內建消息隊列、外部消息隊列、事件標志組實現。共享內存方式使用全局變量或緩存，對大型而復雜的程序，多個任務同時對一個變量進行讀寫操作會引起沖突或緩存區的溢出，因此共享內存用于共享一些對數據安全性不高的通用數據。信號量的通信模型雖然可以很好地起到互斥的作用，但在多個任務同時與某一任務通信是就會產生對信號量的競爭，引起通信發起端的排隊，降低系統的效率。任務內建消息隊列一般用于接收少量消息(如中斷服務程序發送過來的消息)、外部消息隊列主要面向于多個任務共同等待的消息，事件標志組則用于多個任務間的同步。
總結來說，μC／OS-Ⅲ任務間通信有2個途徑：通過全局變量或發消息給另一個任務。用全局變量時，必須保證每個任務或中斷服務子程序獨享該變量。中斷服務中保證獨享的惟一辦法是關中斷。如果2個任務共享某變量，各任務實現獨享該變量的辦法可以使關中斷，再開中斷，或使用信號量。需要注意的是，任務只能通過全局變量與中斷服務子程序通信，而任務并不知道什么時候全局變量被中斷服務子程序修改了，除非中斷服務子程序以信號量方式向任務發信號，或者是該任務以查詢方式不斷周期地查詢變量的值。這樣就不可避免地給程序設計帶來了一定的難度，為避免這種情況，常用的解決方法是采用郵箱。
典型的消息郵箱(Message Mail Box)也稱作交換消息，即用一個指針型變量，一個任務或一個中斷服務子程序通過內核，可以把一則消息(一個指針)放到郵箱中。同樣，一個或多個任務通過內核，可以接收這則消息。發送消息的任務和接收消息的任務約定，某個指針指向的內容就是它們要傳送的消息，如發送消息用指針*Txmsg，而接收消息用指針*Rxmsg。這種消息傳送的過程與通過郵箱收發郵件頗為相似，故稱消息郵箱，或簡稱郵箱。
為了在μC／OS-Ⅲ中使用郵箱，必須將OS_CFG．H文件中相應的配置常數置1。具體配置項如表1所示。

需要說明的是，由于μC／OS-Ⅲ的郵箱管理必須有函數OSMboxCreate()和OSMboxPend()的參與，所以它們不能單獨被屏蔽掉。但從表1中可以看出，將OS_MBOX_EN選項置0即可屏蔽所有郵箱函數，當然也可以屏蔽OSMboxCreate()和OSMboxPend()函數。