摘要：為靈活、有效地在多任務(wù)程序設(shè)計(jì)中應(yīng)用μC／OS-Ⅲ操作系統(tǒng)中的郵箱，采用理論分析與實(shí)例實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，得到基于μC／OS-Ⅲ操作系統(tǒng)的郵箱機(jī)制在全雙工任務(wù)間通信、二值信號(hào)量和充當(dāng)延遲函數(shù)等方面的應(yīng)用技巧和方法。實(shí)驗(yàn)表明，郵箱的靈活應(yīng)用不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的任務(wù)間數(shù)據(jù)通信，還可以方便地替代互斥信號(hào)量和實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。
關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng)；任務(wù)間通信；μC／OS-Ⅲ；郵箱

0 引言
    嵌入式系統(tǒng)軟件通常由多個(gè)功能模塊構(gòu)成，而模塊的功能一般由基于嵌入式操作系統(tǒng)的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，常需要進(jìn)行任務(wù)間通信來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能，如變量的傳遞、資源的共享等，這就需要針對(duì)操作系統(tǒng)建立可靠的任務(wù)間通信，而郵箱是最常用的任務(wù)間通信機(jī)制之一。本文基于μC／OS-Ⅲ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，研究了郵箱的使用和技巧，不僅探討了郵箱在傳統(tǒng)任務(wù)間通信和數(shù)據(jù)的傳遞中的應(yīng)用，還通過(guò)實(shí)例研究了郵箱在二值信號(hào)量和實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能中的靈活應(yīng)用。

1 μC／OS-Ⅲ簡(jiǎn)介
    嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。近年來(lái)，μC／OS-Ⅲ操作系統(tǒng)以其較小的體積、開(kāi)放的源碼和值得信賴的可靠性獲得了工程技術(shù)人員的青睞。2011年，μC／OS-Ⅲ的升級(jí)版μC／OS-Ⅲ發(fā)布。μC／OS-Ⅲ秉承了前一版本的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)高度可移植、可固化、可擴(kuò)展，具有優(yōu)先搶占的實(shí)時(shí)性，專為滿足當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的苛刻要求的多任務(wù)內(nèi)核，它的最大改進(jìn)之處在于允許多個(gè)任務(wù)運(yùn)行于同一優(yōu)先級(jí)上，相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，內(nèi)核對(duì)象的數(shù)量不受限制以及接近于零的終端禁用時(shí)鐘周期。μC／OS-Ⅲ內(nèi)核為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、中斷管理以及任務(wù)間通信。與前期版本不同，μC／OS-Ⅲ支持無(wú)限多個(gè)任務(wù)，無(wú)限多個(gè)優(yōu)先級(jí)，無(wú)限多個(gè)信號(hào)量，同時(shí)支持互斥信號(hào)量、消息郵箱等任務(wù)間通信方式。

2 任務(wù)間通信與郵箱的應(yīng)用
    由于嵌入式系統(tǒng)軟件通常由基于操作系統(tǒng)的若干個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)，因此，不可避免的需要任務(wù)之間或中斷服務(wù)子程序與任務(wù)間的通信，這種信息傳遞機(jī)制稱為任務(wù)間的通信。μC／OS-Ⅲ任務(wù)間的通信可以通過(guò)共享內(nèi)存、信號(hào)量、任務(wù)內(nèi)建消息隊(duì)列、外部消息隊(duì)列、事件標(biāo)志組實(shí)現(xiàn)。共享內(nèi)存方式使用全局變量或緩存，對(duì)大型而復(fù)雜的程序，多個(gè)任務(wù)同時(shí)對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行讀寫(xiě)操作會(huì)引起沖突或緩存區(qū)的溢出，因此共享內(nèi)存用于共享一些對(duì)數(shù)據(jù)安全性不高的通用數(shù)據(jù)。信號(hào)量的通信模型雖然可以很好地起到互斥的作用，但在多個(gè)任務(wù)同時(shí)與某一任務(wù)通信是就會(huì)產(chǎn)生對(duì)信號(hào)量的競(jìng)爭(zhēng)，引起通信發(fā)起端的排隊(duì)，降低系統(tǒng)的效率。任務(wù)內(nèi)建消息隊(duì)列一般用于接收少量消息(如中斷服務(wù)程序發(fā)送過(guò)來(lái)的消息)、外部消息隊(duì)列主要面向于多個(gè)任務(wù)共同等待的消息，事件標(biāo)志組則用于多個(gè)任務(wù)間的同步。
    總結(jié)來(lái)說(shuō)，μC／OS-Ⅲ任務(wù)間通信有2個(gè)途徑：通過(guò)全局變量或發(fā)消息給另一個(gè)任務(wù)。用全局變量時(shí)，必須保證每個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)子程序獨(dú)享該變量。中斷服務(wù)中保證獨(dú)享的惟一辦法是關(guān)中斷。如果2個(gè)任務(wù)共享某變量，各任務(wù)實(shí)現(xiàn)獨(dú)享該變量的辦法可以使關(guān)中斷，再開(kāi)中斷，或使用信號(hào)量。需要注意的是，任務(wù)只能通過(guò)全局變量與中斷服務(wù)子程序通信，而任務(wù)并不知道什么時(shí)候全局變量被中斷服務(wù)子程序修改了，除非中斷服務(wù)子程序以信號(hào)量方式向任務(wù)發(fā)信號(hào)，或者是該任務(wù)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(shè)計(jì)帶來(lái)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(gè)指針型變量，一個(gè)任務(wù)或一個(gè)中斷服務(wù)子程序通過(guò)內(nèi)核，可以把一則消息(一個(gè)指針)放到郵箱中。同樣，一個(gè)或多個(gè)任務(wù)通過(guò)內(nèi)核，可以接收這則消息。發(fā)送消息的任務(wù)和接收消息的任務(wù)約定，某個(gè)指針指向的內(nèi)容就是它們要傳送的消息，如發(fā)送消息用指針*Txmsg，而接收消息用指針*Rxmsg。這種消息傳送的過(guò)程與通過(guò)郵箱收發(fā)郵件頗為相似，故稱消息郵箱，或簡(jiǎn)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(yīng)的配置常數(shù)置1。具體配置項(xiàng)如表1所示。

    需要說(shuō)明的是，由于μC／OS-Ⅲ的郵箱管理必須有函數(shù)OSMboxCreate()和OSMboxPend()的參與，所以它們不能單獨(dú)被屏蔽掉。但從表1中可以看出，將OS_MBOX_EN選項(xiàng)置0即可屏蔽所有郵箱函數(shù)，當(dāng)然也可以屏蔽OSMboxCreate()和OSMboxPend()函數(shù)。
    μC／OS-Ⅲ的郵箱支持任務(wù)與任務(wù)之間、任務(wù)與中斷服務(wù)子程序之間進(jìn)行消息傳遞，圖1給出了郵箱支持的消息傳遞過(guò)程中所用到的函數(shù)和任務(wù)、中斷服務(wù)子程序之間的關(guān)系。

    從圖1可以看出，任務(wù)或中斷服務(wù)子程序都可以調(diào)用函數(shù)OSMboxPost()和OSMboxPostOpt()，但只有任務(wù)可以調(diào)用OSMboxCreate()，OSMbo xDel()，OSMboxPend()及OSMboxQuery()函數(shù)。此外，μC／OS-Ⅲ中應(yīng)用程序可以使用多個(gè)郵箱，其最大數(shù)目由OS_CFG．H文件中的配置常數(shù)OS_MAX_EVENTS設(shè)定。
    在表1中各選項(xiàng)配置完畢并了解圖1中各郵箱函數(shù)的關(guān)系后，即可以使用郵箱進(jìn)行消息的傳遞，其具體過(guò)程為：創(chuàng)建郵箱OSMboxCreate()；郵箱內(nèi)消息的內(nèi)容初始化，此時(shí)郵箱內(nèi)是否有消息并不重要；將消息放入郵箱OSMboxPost()；等待有消息進(jìn)入郵箱OSMboxPend()；如果郵箱內(nèi)有消息，則任務(wù)將消息從郵箱中取走；如果郵箱內(nèi)沒(méi)有消息，則內(nèi)核不將該任務(wù)掛起，返回空指針。
    下述代碼給出了2個(gè)郵箱TxMbox和RxMbox的建立方法，同時(shí)TaskOne和TaskTwo兩個(gè)任務(wù)使用郵箱實(shí)現(xiàn)了全雙工的應(yīng)答式通信。
   
   
   
    從代碼可以看出，使用內(nèi)核提供的郵箱服務(wù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)問(wèn)通信方便、簡(jiǎn)單，這也是郵箱作為任務(wù)問(wèn)通信最常用手段的原因。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)分析郵箱的功能特點(diǎn)，還可以將其應(yīng)用到其他場(chǎng)合以實(shí)現(xiàn)一些靈活的功能。

3 郵箱的靈活應(yīng)用
3．1 用郵箱作為二值信號(hào)量
    郵箱可以當(dāng)作二值信號(hào)量用，郵箱中有消息表示資源可以使用，而空郵箱表示資源已經(jīng)被其他資源占用。首先，在初始化時(shí)將郵箱設(shè)置為一個(gè)非空指針(eg．void*1)，這樣，一個(gè)任務(wù)可以調(diào)用OSMboxPend()函數(shù)請(qǐng)求信號(hào)量，然后通過(guò)調(diào)用OSMboxPost()函數(shù)釋放信號(hào)量。若只需要二值信號(hào)量和郵箱，采用這種方法可以節(jié)省代碼空間。此時(shí)，需將OS_MBOX_EN置1，而將OS_SEM_EN清0，即只用郵箱，而不是同時(shí)使用郵箱和信號(hào)量。同樣，給出了一個(gè)郵箱傳遞二值信號(hào)量的簡(jiǎn)單示例。
   
3．2 郵箱實(shí)現(xiàn)延時(shí)，而不使用OSTimeDly()
    郵箱的超時(shí)等待功能可以用作延時(shí)，模仿OS-TimeDly()函數(shù)功能。示例代碼如下：
   
   
    在程序執(zhí)行過(guò)程中，若在指定的時(shí)間TIMEOUT內(nèi)沒(méi)有消息到來(lái)，則TaskC繼續(xù)執(zhí)行，這顯然與OSTimeDly(TIMEOUT)功能類(lèi)似；但是，如果TaskD在指定的時(shí)間結(jié)束之前，向郵箱發(fā)送一個(gè)dummy消息，則可以中止任務(wù)1中的延時(shí)，使TaskC提前繼續(xù)執(zhí)行，這與調(diào)用函數(shù)OSTimeDly Res ume()的功能一致。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文基于嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅲ探討了郵箱在任務(wù)間通信中的應(yīng)用方法及注意事項(xiàng)，分析了各郵箱函數(shù)的關(guān)系及使能／屏蔽方法，并給出示例實(shí)現(xiàn)2個(gè)任務(wù)的全雙工通信；在此基礎(chǔ)上，還研究了郵箱在二值信號(hào)量和延時(shí)功能中的靈活應(yīng)用，并給出實(shí)例代碼驗(yàn)證，這在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中有一定的參考價(jià)值。