汪曉兢

（中國航天科工集團(tuán)第三研究院 總體設(shè)計部，北京 100074）

RTX51Tiny是應(yīng)用于8051系列單片機(jī)的小型多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，它完全集成在Keil C51編譯器中，體積小，簡潔高效，能夠?qū)崿F(xiàn)獨立不相關(guān)的多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，具體相關(guān)伙伴組任務(wù)之間的同步機(jī)制。被廣泛應(yīng)用在8051系列單片機(jī)的軟件開發(fā)項目中。

當(dāng)Tiny系統(tǒng)打開時間片（timeshare≠0）時，系統(tǒng)中多任務(wù)由內(nèi)核按時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，并發(fā)運行。但這時只有獨立不相關(guān)任務(wù)能夠按時間片并發(fā)推進(jìn)；而對于有共享資源關(guān)聯(lián)的（非伙伴組之間的）相關(guān)任務(wù)，Tiny卻缺少對共享資源爭用的管理工具。信號量是一種有效的、對共享資源進(jìn)行保護(hù)的管理工具；管程是具有同等表達(dá)能力的另一種高級同步管理工具。

信號量實現(xiàn)兩種管理機(jī)制：互斥和同步，兩者完全由程序員負(fù)責(zé)。

管程相應(yīng)實現(xiàn)兩種管理機(jī)制：互斥鎖和條件變量。理論上編譯器負(fù)責(zé)互斥自動加鎖部分，條件變量部分仍需程序員負(fù)責(zé)，這使程序員出錯幾率減少一半。管程機(jī)制的目標(biāo)是為了更易于編寫正確的程序，管程相對信號量更易于檢錯和控制。

信號量設(shè)計方法見參考文獻(xiàn)[1]。信號量的優(yōu)點是通用性，可以做成庫函數(shù)，一次設(shè)計，長久應(yīng)用。而管程，理論上是編譯器依賴，與條件變量一起，隨具體項目設(shè)計而不同。

Keil C51沒有管程支持，影響管程C語言應(yīng)用的原因大多是一種習(xí)慣概念：“管程是語言概念，C語言并不支持它?！褂霉艹?，就需要一種帶有管程的語言?！睂嶋H上，對Tiny這樣的小系統(tǒng)，富有好奇心和探索欲的程序員可以自己代勞，替代編譯器完成管程結(jié)構(gòu)成分的功能。理論上進(jìn)入管程時的互斥由編譯器負(fù)責(zé)，而通常的做法是用一個互斥鎖或二元信號量。當(dāng)一個任務(wù)調(diào)用管程過程時。該過程中的前幾條指令將檢查在管程中是否有其他的活動任務(wù)。這是程序員替代編譯器完成管程語言成分時所需做的少量工作。

管程結(jié)構(gòu)如圖1所示，管程把所有共享資源以及一組針對這些共享資源的操作過程集中在一個軟件模塊Monitor內(nèi)部。并發(fā)爭用管程內(nèi)部共享資源的外部多任務(wù)，只能通過調(diào)用管程內(nèi)部過程來間接使用管程內(nèi)部共享資源。管程的互斥特性保證了外部無序并發(fā)任務(wù)只能以串行化方式順序通過管程（臨界區(qū)），以協(xié)作方式順序使用共享資源。管程結(jié)構(gòu)（見圖1）的右半部實現(xiàn)互斥機(jī)制；左半部實現(xiàn)條件變量同步機(jī)制。

下面舉實際應(yīng)用中的例子簡單說明管程功能及應(yīng)用。

例1 無條件臨界區(qū) （實現(xiàn)圖1右半部互斥機(jī)制）

假定有三個RTX51－TNY任務(wù)，task1～task3，并發(fā)使用單一串口資源分別輸出數(shù)據(jù)s1～s3，這里串口是共享資源。

圖1 管程結(jié)構(gòu)

編者注：例1源程序略。

三任務(wù)借助回調(diào)函數(shù)方法進(jìn)入管程 Monitor＿f（（＊f）（void＊），void＊），而管程函數(shù) Monitor＿f（）在入口處添加了一把互斥鎖mutex，使管程函數(shù)具有互斥特征，每次只允許一個申請使用管程內(nèi)共享資源的外部活動任務(wù)進(jìn)入管程。

申請進(jìn)入管程的任務(wù)，必須先拿到互斥鎖mutex，獲得使用權(quán)，使用完資源后，退出管程前又必須先歸還鎖，釋放使用權(quán)。獲取鎖成功的任務(wù)，必須按照“以關(guān)鎖操作開始，以開鎖操作結(jié)束”的規(guī)則進(jìn)行。

互斥鎖是信號量鎖的簡化應(yīng)用，差別在于：當(dāng)取鎖失敗時，管程互斥鎖調(diào)用os＿switch＿task（）調(diào)度程序，主動放棄CPU給下一任務(wù)，并不阻塞當(dāng)前任務(wù)，仍為就緒態(tài)，因此無需等待其他任務(wù)喚醒，也不像自旋鎖那樣忙等待；在該任務(wù)下次被調(diào)度時，它再一次對鎖進(jìn)行測試。

當(dāng)取鎖成功時，互斥鎖能夠自動關(guān)鎖以防止其他任務(wù)進(jìn)入；這避免了程序員“以關(guān)鎖操作開始”的疏忽。

例2 條件臨界區(qū)

例1中，管程提供了一種實現(xiàn)互斥的簡便途徑；如果僅僅替代編譯器的互斥加鎖功能，這好像已經(jīng)夠用了。但管程還需要有同步機(jī)制，還需要一種方法使進(jìn)入管程的任務(wù)能夠像使用信號量一樣實現(xiàn)同步機(jī)制。實現(xiàn)前驅(qū)或資源條件臨界區(qū)，即進(jìn)入管程的任務(wù)在發(fā)現(xiàn)繼續(xù)運行條件不滿足時，能夠阻塞自己。這是應(yīng)該由程序員主要負(fù)責(zé)的部分，編譯器無能為力。

解決方法就是引人條件變量以及利用RTX51Tiny已有的相關(guān)的兩個操作：os＿wait（）和os＿send＿signal（）。當(dāng)一個管程過程發(fā)現(xiàn)它無法繼續(xù)運行時（例如前驅(qū)條件或者資源不滿足時），它會在某個條件變量上執(zhí)行os＿wait（）操作。該操作導(dǎo)致調(diào)用任務(wù)自身阻塞，并且還將另一個以前等在管程之外的任務(wù)調(diào)入管程。一個進(jìn)入管程無法繼續(xù)運行，被迫進(jìn)入自身阻塞（等待條件滿足）的任務(wù)，必須按下列規(guī)則進(jìn)行：

◆釋放互斥鎖給管程入口；

◆進(jìn)入條件等待隊列；

◆睡眠。等待伙伴喚醒。

假定例1中三個任務(wù)要求按圖2所示邏輯規(guī)則順序輪流使用串口資源輸出，管程內(nèi)部就需要有條件變量支持。條件變量同步機(jī)制理論上是由程序員負(fù)責(zé)的部分，編譯器（替代）仍只負(fù)責(zé)互斥鎖部分。

編者注：例2源程序略。

這個例子當(dāng)然有更簡單的解法。測試流程如圖3所示，圖中寫成完整if嵌套形式，是為了突出條件變量的邏輯表達(dá)式概念。退出管程前的任務(wù)測試程序，代碼已經(jīng)裁剪掉一半（在等待隊列初始化全0條件下）。任務(wù)1和任務(wù)2按照邏輯表達(dá)式規(guī)則判定（predicate），從不會進(jìn)入條件變量等待隊列，只有3以上的任務(wù)才會進(jìn)入條件變量隊列等待。

圖2 三任務(wù)輪流執(zhí)行邏輯規(guī)則

圖3 管程內(nèi)活動進(jìn)程退出管程前對伙伴組條件變量隊列的測試

從例1看到，C51帶有Test and Set Lock語句（由8051硬件功能確定），這是C51能夠簡單實現(xiàn)管程入口互斥鎖的首要條件，也即管程（模塊）實現(xiàn)的互斥機(jī)制部分（理論上編譯器負(fù)責(zé)的加鎖部分）。

從例2看到，RTX51Tiny具有wait／signal函數(shù)，自身已能完成伙伴組間同步機(jī)制，因而能夠方便實現(xiàn)條件變量機(jī)制。這是管程（模塊）實現(xiàn)的同步機(jī)制部分。

例3 經(jīng)典同步／互斥問題（生產(chǎn)者與消費者問題）

操作系統(tǒng)文化中有一些經(jīng)典的進(jìn)程同步問題被廣為討論和分析，它們是從各種類型的同步問題中歸納、抽象出來的一般性模型；每個新的同步／互斥機(jī)制的發(fā)明都希望通過這些經(jīng)典問題來展示自己的精妙之處。生產(chǎn)者與消費者問題被普遍用來檢驗同步／互斥機(jī)制的正確性。

兩個任務(wù)：生產(chǎn)者／消費者任務(wù)通過共享一個公共的固定大小的緩沖區(qū)（例3中為8字節(jié)。）而關(guān)聯(lián)。生產(chǎn)者將信息（產(chǎn)品）存入緩沖區(qū)供消費；消費者從緩沖區(qū)取出信息（產(chǎn)品）以消費。如果生產(chǎn)速度大于消費，供大于求，緩沖區(qū)將很快填滿，生產(chǎn)者必須睡眠以停止生產(chǎn)，等待消費者從緩沖區(qū)中取走一些數(shù)據(jù)項消費掉后再喚醒生產(chǎn)者。同樣，如果消費速度大于生產(chǎn)，供不應(yīng)求，緩沖區(qū)很快為空，消費者必須睡眠以等待生產(chǎn)者生產(chǎn)一些數(shù)據(jù)項后再喚醒消費者。例3源程序略——編者注。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] 程遠(yuǎn)，勾勇華，龔志勇，等.RTX51Tiny中信號量操作的實現(xiàn)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（10）.

[2] Qingli.嵌入式系統(tǒng)的實時概念[M].王安生，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3] Andrew S.Tanenbaum.現(xiàn)代操作系統(tǒng)[M].3版.陳向群，馬紅兵，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.