RTOS学习之：多任务编程要点

一．   分析阶段
1.  需求分析，予以文档描述；
2.  一些初始化问题，探究需求分析中的关键点；
3.  解决时序问题，系统中算法的分析；
4.  决定使用RTOS，依赖于时间响应和任务数量；
5.  划分任务，确定系统所需的任务和模块；
6.  系统间通信，消息机制是最优的方法之一；
7.  共享数据处理，创建独立的模块；
8.  结论，绘制系统设计图。
二．   编码实现
1.  系统组成的基本单元是模块，即单个的C源文件，它封装了数据与程序；
2.  模块之间交互通过调用函数来实现，没有使用任何全局变量；
3.  防止竞态发生的手段是信号量；
4.  非立即获取的数据由回调函数予以处理；
5.  向任务发送消息的方法封装在“外壳”函数之中；
6.  所有模块调用的函数原型全部组织在一个头文件之中；
7.  模块中都有初始化函数，负责任务创建、初始化信号量和队列等，并由main()主函数统一调用。
三．   防止竞态（以下任务包括ISR）
1.  竞态只可能发生在全局的资源上（硬件/全局变量/静态变量），而像任务的私有资源（仅被自己访问）和堆栈数据是不可能发生竞态的；
2.  一个函数被哪个任务调用，它就代表该任务的访问行为，与该函数定义位置无关（回调函数是最让人迷惑的，它定义在A任务中，但它被任务B调用，所以它代表任务B的访问行为）；
3.  凡是被多个任务访问（包括读/写）的资源，必定发生竞态；
4.  需要保护的共享资源必须确保在使用范围之内都是处于保护状态；
5.  保护的手段：禁止/启用IRQ、禁止/启用任务调度、信号量。
四．   线程通信
方式一 实时操作系统中任务通信的经典方式是：任务阻塞在等待消息上，直到中断服务程序或者其他任务给自己发送消息。如：
    void TaskA(void)
    {
      while (FOREVER)
         {
           OSQPend(p_QData, 0, &err);  /* waiting for events */
        /**** deal with received events ****/
         }     
    }
  当其他任务向自己发送消息时，把该消息封装在“外壳函数”中，这样可以避免使用全局变量，同时增加了安全性：
    void taska_SendPrompt(Int IMsg)
    {
         assert(IMsg >= MIN_VAL && Imsg <= MAX_VAL);
      OSQPost(p_QData, (void *)IMsg);
}
 
方式二结合邮箱和信号量可以让任务进行更高级的通信方式，如下代码所示，任务A先创建一信号量，绑定信号量和它希望任务B所做的事情到消息中，再投递该消息到邮箱，然后在信号量上进行等待，当结束等待时说明任务B已经干完该事情，则删除信号量。
    void TaskA(void)
{
  msg.sem = CreateSemaphore(0);
  msg.func = TaskAFunc;
  PostMBox(mbox, &msg);  /* tell TaskB do something */
  WaitSemaphore(msg.sem);  /* waiting until TaskB done */
  FreeSemaphore(msg.sem);
    }
任务B首先在邮箱上等待，当接收到消息后调用函数，完成任务A希望它干的事情，再释放信号量通知任务A工作完毕。
void TaskB(void)
{
  msg = PendMBox(mbox);
  msg.func(&msg);  /* do something that TaskA desired */
  SignalSemaphore(msg.sem);  /* tell TaskA thing is done */
    }
五．   线程共享
1）简单共享，如图1所示，任务A写数据块DataStructure后给任务B发送消息，任务B提取消息并从任务A复制数据块DataStructure到自己的数据区TaskBData中。
优点：简单，容易实现，适合于慢速通信。
缺点：①任务B如果响应速度不够快则有可能任务A又改写了数据块而发生错误（Write两次，Read一次）；②DataStructure同时被任务A和任务B访问，为防止“竞态”错误需要进行保护。



图1 简单共享

 
2）抽象成数据模块，加信号量予以保护，如图2所示。
优点：简单，安全，模块化，适应于被多个任务共享的数据。
缺点：①任务可能会在该信号上阻塞很长时间；②任务为了方便操作数据一般会建立自己的副本，这样一来占用更多的数据存储区。



图2  带信号量的数据模块

 
3）回调函数，如图3所示，任务A把自己的回调函数传递给任务B的消息队列中，任务B从队列中提取并调用该函数，此时回调函数即可以访问任务B的数据，又可以访问任务A的数据，给编程带来极大的自由度。
优点：自由灵活，如任务A和任务C对任务B中的数据进行不同的运算，只需要修改任务对应的回调函数即可，特别适应于任务中数据被多个其他任务使用且运算方式不同的场合。
缺点：①较为复杂，需要清晰了解回调函数的数据流才能正确使用；②回调函数定义在任务A但被任务B使用，它就代表任务B的行为，这样一来TaskAData就被任务A和任务B（通过TaskACallback）共享，为避免“竞态”带来错误，需要对TaskAData进行保护（参见上述三），同理，TaskCData也需要进行保护。



图3 回调函数

 
4）生产者与消费者队列，如图4所示，任务A把“生产”的数据存入RingBuffer中，再将该数据的指针传递给任务B的消息队列中，任务B提取该数据的指针后从RingBuffer复制数据到TaskBData中。
优点：简单可靠，适应于尺寸相同且“生产”速率恒定的场合。
缺点：①对数据尺寸有限制，必须是相同大小的数据才能建立RingBuffer(循环缓冲区)；②“生产“速率必须恒定且RingBuffer的大小设置合理，才能确保不会发生“溢出”错误。



图4 生产者与消费者队列
 
5）动态生成消息，如图5所示，任务A动态生成（常见为malloc()）消息msg，将该消息指针传递到任务B的消息队列中，任务B提取并处理该消息后，释放（常见为free()）该消息所占用的内存。
优点：适用于多任务之间进行自由通信，消息类型和大小都不受限制。
缺点：①较复杂，消息类型可能会非常多，需要较好她组织；②因为动态分配和释放内存，需要细心设计，小心内存泄露；③动态分配内存时间不可控，对于实时性要求特别高的任务需要考虑这个限制。



图5 动态生成消息