RTOS 是一種軟件，可以盡可能高效地管理中央處理單元 （CPU）、微處理單元 （MPU） 甚至數(shù)字信號處理器 （DSP） 的時(shí)間。大多數(shù) RTOS 內(nèi)核都是用 C 編寫的，需要一小部分用 ASSEMBLY 語言編寫的代碼來使內(nèi)核適應(yīng)不同的 CPU 架構(gòu)。

RTOS 內(nèi)核為程序員提供了許多有用的服務(wù)，例如多任務(wù)處理、中斷管理、通過消息隊(duì)列的任務(wù)間通信、信令、資源管理、時(shí)間管理、內(nèi)存分區(qū)管理等等。

應(yīng)用程序（即最終產(chǎn)品）基本上分為多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)應(yīng)用程序的一部分。任務(wù)是一個(gè)簡單的程序，它認(rèn)為它自己擁有 CPU。每個(gè)任務(wù)都根據(jù)任務(wù)的重要性分配一個(gè)優(yōu)先級。

什么是消息隊(duì)列？

如圖 1 所示，消息隊(duì)列是一個(gè)內(nèi)核對象（即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），消息通過它從中斷服務(wù)例程 （ISR） 或任務(wù)發(fā)送（即，發(fā)布）到另一個(gè)任務(wù)（即，掛起）。一個(gè)應(yīng)用程序可以有任意數(shù)量的消息隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列都有自己的用途。例如，消息隊(duì)列可用于將從通信接口 ISR 接收到的數(shù)據(jù)包傳遞給任務(wù)，該任務(wù)又負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)包。另一個(gè)隊(duì)列可用于將內(nèi)容傳遞給將負(fù)責(zé)正確更新顯示的顯示任務(wù)。

圖 1.消息隊(duì)列是用于將內(nèi)容傳遞給任務(wù)的內(nèi)核對象。

消息通常是指向包含實(shí)際消息的存儲區(qū)域的空指針。但是，指針可以指向任何東西，甚至是接收任務(wù)要執(zhí)行的函數(shù)。因此，消息的含義取決于應(yīng)用程序。每個(gè)消息隊(duì)列都可以配置其將容納的存儲量。可以將消息隊(duì)列配置為保存單個(gè)消息（也稱為郵箱）或N條消息。隊(duì)列的大小取決于應(yīng)用程序以及接收任務(wù)在隊(duì)列填滿之前處理消息的速度。

如果一個(gè)任務(wù)掛起（即等待）一條消息并且隊(duì)列中沒有消息，那么該任務(wù)將阻塞，直到一條消息被發(fā)布（即發(fā)送）到隊(duì)列中。由于 RTOS 運(yùn)行其他任務(wù)，因此等待任務(wù)在等待消息時(shí)不消耗 CPU 時(shí)間。如圖 1 所示，掛起的任務(wù)可以指定一個(gè)超時(shí)時(shí)間。如果在指定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有收到消息，則當(dāng)該任務(wù)成為最高優(yōu)先級任務(wù)時(shí)，將允許該任務(wù)恢復(fù)執(zhí)行（即解除阻塞）。當(dāng)任務(wù)執(zhí)行時(shí)，它基本上被告知它被恢復(fù)的原因是因?yàn)槌瑫r(shí)，因此沒有收到消息。

消息隊(duì)列通常實(shí)現(xiàn)為先進(jìn)先出 （FIFO），這意味著接收到的第一條消息將是從隊(duì)列中提取的第一條消息。但是，某些內(nèi)核允許您發(fā)送被認(rèn)為比其他內(nèi)核更重要的消息，因此可以在隊(duì)列的頭部發(fā)布。換句話說，按照后進(jìn)先出 （LIFO） 的順序，使該消息成為任務(wù)提取的第一個(gè)消息。

消息隊(duì)列的一個(gè)重要方面是消息本身需要從發(fā)送到處理期間保持在范圍內(nèi)。這意味著您不能將指針傳遞給堆棧變量、可以被其他代碼更改的全局變量等等。為了使消息保持在范圍內(nèi)，您通常會填充從池中獲取的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。發(fā)送消息的 ISR 或任務(wù)將從池中獲取一個(gè)結(jié)構(gòu)，填充該結(jié)構(gòu)，并將指向該結(jié)構(gòu)的指針發(fā)布到隊(duì)列中。接收任務(wù)將從隊(duì)列中提取指針，處理結(jié)構(gòu)，完成后將結(jié)構(gòu)返回到池中。當(dāng)然，發(fā)送方和接收方都需要使用同一個(gè)池，除非數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的字段指示使用了哪個(gè)池。

圖 2.消息存儲區(qū)池

在 RTOS 中消息隊(duì)列的許多實(shí)現(xiàn)中，如果隊(duì)列已滿，發(fā)送到隊(duì)列的消息將被丟棄。通常這不是問題，應(yīng)用程序的邏輯可以從這種情況中恢復(fù)。但是，實(shí)現(xiàn)一種機(jī)制相當(dāng)容易，這樣發(fā)送任務(wù)將阻塞，直到接收方提取其中一條消息，如圖 3 所示：

1.計(jì)數(shù)信號量初始化為隊(duì)列可以接受的最大條目數(shù)對應(yīng)的值。

2.在允許發(fā)送消息到隊(duì)列之前，發(fā)送任務(wù)在信號量上掛起。如果信號量值為零，則發(fā)送方等待。

3.如果該值非零，則信號量計(jì)數(shù)遞減，并且發(fā)送方將其消息發(fā)布到隊(duì)列中。

4.消息的接收者像往常一樣在消息隊(duì)列中掛起一個(gè)。

5.當(dāng)接收到消息時(shí)，接收者從隊(duì)列中提取指向消息的指針并向信號量發(fā)出信號，表明隊(duì)列中的條目已被釋放。

圖 3.如果隊(duì)列已滿，則阻止發(fā)送者。

如圖所示，此機(jī)制僅適用于兩個(gè)任務(wù)，因?yàn)椴辉试S ISR 掛在信號量上。

消息隊(duì)列的其他用途

圖 4 顯示了消息隊(duì)列的不同用途：

1-4。如前所述，消息隊(duì)列通常用于將消息從 ISR 或任務(wù)發(fā)送到另一個(gè)任務(wù)。

5.但是，如果消息適合指針的字長，則不必發(fā)送實(shí)際消息并分配存儲區(qū)域。例如，如果指針是 32 位寬，那么您可以將從 12 位 ADC 讀取的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 轉(zhuǎn)換為指針并通過消息隊(duì)列發(fā)送它。只要接收者知道將值轉(zhuǎn)換回整數(shù)，它就是完全合法的。

6-7。如果任務(wù)知道消息不會發(fā)送給它，它可以使用超時(shí)機(jī)制將自己延遲一段時(shí)間。在這種情況下，能夠容納單個(gè)條目的隊(duì)列就足夠了。事實(shí)上，如果另一個(gè)任務(wù)或 ISR 發(fā)送消息，延遲將被中止，這可能是您想要實(shí)現(xiàn)的行為。

8.消息隊(duì)列可以用作信號量來簡單地向任務(wù)發(fā)出事件發(fā)生的信號。在這種情況下，消息可以是任何東西。隊(duì)列的大小取決于應(yīng)用程序需要緩沖多少信號。

9-10。消息隊(duì)列也可以用作二進(jìn)制信號量或計(jì)數(shù)信號量以進(jìn)行資源共享。對于二進(jìn)制信號量，隊(duì)列將包含單個(gè)消息，并且將在隊(duì)列中放置一條消息（任何值）。要訪問資源，任務(wù)將在隊(duì)列中掛起。如果隊(duì)列中有消息，則任務(wù)將獲得對資源的訪問權(quán)。一旦完成資源，隊(duì)列將被發(fā)布，從而根據(jù)需要放棄資源以供其他任務(wù)使用。相同的機(jī)制適用于實(shí)現(xiàn)具有N個(gè) 資源的計(jì)數(shù)信號量，并且隊(duì)列將預(yù)先填充N個(gè) 虛擬消息。

11.消息實(shí)際上可用于模擬事件標(biāo)志，其中 32 位指針大小變量（轉(zhuǎn)換為整數(shù)）的每一位都可以表示一個(gè)事件。

12.可以使用消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)棧結(jié)構(gòu)。這基本上是 LIFO 機(jī)制的另一種用法。

圖 4.消息隊(duì)列的許多用途中的一些。

概括

消息隊(duì)列可以以多種不同的方式使用。事實(shí)上，您可以編寫可能只使用消息隊(duì)列的相當(dāng)復(fù)雜的應(yīng)用程序。僅使用消息隊(duì)列可以減少代碼的大?。凑加每臻g），因?yàn)榭梢阅M許多其他服務(wù)（信號量、時(shí)間延遲和事件標(biāo)志）。

審核編輯：郭婷