任務間通信和同步有三種廣泛的范式：

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

內(nèi)核對象 ——由 RTOS 提供的工具，代表獨立的通信或同步工具。示例包括：事件標志、郵箱、隊列/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發(fā)送到另一個任務或多個其他任務。這是內(nèi)核設計的基礎，并導致將此類產(chǎn)品描述為“消息傳遞 RTOS”。

適合每種應用的設施會有所不同。它們的功能也有一些重疊，一些關(guān)于可擴展性的思考是值得的。例如，如果一個應用程序需要多個隊列，但只需要一個郵箱，那么實現(xiàn)具有單項隊列的郵箱可能會更高效。這個對象會有點不理想，但所有郵箱處理代碼都不會包含在應用程序中，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

任務間通信的一種簡單方法是只擁有所有相關(guān)任務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)進行其他操作，則需要小心，因為它們可能是可中斷的并且可能會導致時間問題。實現(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，當然您仍然需要鎖定。使用第一個字節(jié)作為鎖定標志是可能的，假設內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)促進對該字節(jié)的原子訪問。一個任務將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存區(qū)域，設置標志，然后等待它清除。另一個任務等待設置標志，讀取數(shù)據(jù)并清除標志。使用中斷禁用作為鎖定不太明智，因為移動整個數(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)中實現(xiàn)許多處理器間通信設施的方式。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間通信工具。它們由一組位標志組成——可能有 8、16 或 32 個，具體取決于具體實現(xiàn)——與特定任務相關(guān)聯(lián)。

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

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

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 中的實現(xiàn)。

事件標志組

事件標志組類似于信號，因為它們是面向位的任務間通信設施。它們可以類似地以 8、16 或 32 位的組來實現(xiàn)。它們與信號的不同之處在于它們是獨立的內(nèi)核對象；它們不“屬于”任何特定任務。

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

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

信號

量 信號量是獨立的內(nèi)核對象，它提供了一種標記機制，通常用于控制對資源的訪問。大致有兩種類型：二進制信號量（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現(xiàn)二進制信號量的（原子）指令。二進制信號量也可以被視為計數(shù)限制為 1 的計數(shù)信號量。

任何任務都可能嘗試獲取信號量以獲取對資源的訪問權(quán)。如果當前信號量值大于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；這意味著一個任務可能會被掛起，直到另一個任務釋放信號量。任何任務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 中的實現(xiàn)。

郵箱

郵箱是獨立的內(nèi)核對象，它為任務提供了一種傳輸消息的方法。消息大小取決于實現(xiàn)，但通常是固定的。一到四個指針大小的項目是典型的消息大小。通常，指向一些更復雜數(shù)據(jù)的指針是通過郵箱發(fā)送的。一些內(nèi)核實現(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。

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

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

某些 RTOS 根本不支持郵箱。建議改為使用單條目隊列（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 中的實現(xiàn)。

隊列

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

任何任務都可能發(fā)送到隊列，并且這可能會重復發(fā)生，直到隊列已滿，此后任何發(fā)送嘗試都將導致錯誤。隊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，可以進行阻塞調(diào)用以發(fā)送到隊列；這意味著，如果隊列已滿，一個任務可能會被掛起，直到隊列被另一個任務讀取。任何任務都可以從隊列中讀取。消息的讀取順序與發(fā)送順序相同——先進先出 （FIFO）。如果一個任務試圖從一個空隊列中讀取，它將收到一個錯誤響應。在許多 RTOS 中，可以進行阻塞調(diào)用以從隊列中讀取；這意味著，如果隊列為空，則任務可能會暫停，直到另一個任務將消息發(fā)送到隊列。

RTOS 可能會支持將消息發(fā)送到隊列前面的功能——這也稱為“干擾”。一些 RTOS 還支持“廣播”功能。這使消息能夠發(fā)送到在讀取隊列時暫停的所有任務。此外，RTOS 可以支持可變長度消息的發(fā)送和讀取；這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)上與隊列相同，但處理面向字節(jié)的數(shù)據(jù)。

隊列的內(nèi)部操作在這里不感興趣，但應該理解它們在內(nèi)存和運行時的開銷比郵箱要多。這主要是因為需要維護兩個指針——指向隊列的頭部和尾部。

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

互斥

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

并非所有 RTOS 都提供互斥鎖，但調(diào)整常規(guī)二進制信號量非常簡單。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標識符。然后一個互補的“互斥釋放”函數(shù)將檢查調(diào)用任務的標識符，只有當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，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。