嵌入式操作系统内核原理和开发（信号量）

    之前因为工作的原因，操作系统这块一直没有继续写下去。一方面是自己没有这方面的经历，另外一方面就是操作系统比较复杂和琐碎，调试起来比较麻烦。目前在实际项目中，使用的实时操作系统很多，很多国内的朋友也写过操作系统，有些项目现在还在维护和修改中，这是十分难得的。就我知道和熟悉的就有三个系统，比如

     （1）RT-THREAD

     （2）RAW-OS

     （3）ClearRTOS

    这里有比较介绍一下，这三个系统是国内的三位朋友开发的。其中rt-thread时间比较久一点，模块也比较全，bsp、cpu、fs、lwip、gui等辅助的代码也比较多，有兴趣的朋友可以到网站上面下载代码看一看。raw-os是我今年才发现的一个实时系统，从网站的注册时间和软件版本号上来看，系统开发的时间不是很长，不过整个系统代码的结构非常清晰，是我重点推荐阅读的代码。如果朋友们自己download下来，好好看一下其中的代码，肯定会有不少的收获。最后一个代码是作者李云在编写《专业嵌入式软件开发》这本书的时候，为了说明os的基本原理而开发的软件，前后设计了线程、互斥、内存、定时器、驱动框架等内容，值得一读。

    当然有了这么多优秀的代码，我觉得现在自己的工作就不是重新造一个车轮了，而是和大家分享这些优秀的代码是如何设计的。理解代码本身不是目的，关键是理解代码背后的基本思路。就我个人看过来，rt-thread和raw-os都可以用来学习，不过raw-os更好一些，主要是因为作者将raw-os移植到的vc上面，学起来也十分方便，要是个人在使用过程中有什么疑问，可以通过邮件和作者及时交流。不过由于raw-os的版本在一直在update之中，所以部分代码在前后稍微有点差别，不过这些都不是重点，暂时不了解的内容可以通过后面的了解和学习逐步掌握，不会成为太大的障碍。

    就像今天的题目一样，我们重点介绍一下信号量的设计原理。首先看一下信号量的数据结构是怎么样的，

typedef struct RAW_SEMAPHORE
{ 
  RAW_COMMON_BLOCK_OBJECT       common_block_obj;
  RAW_U32                       count;
  
} RAW_SEMAPHORE;

    这些代码都是从raw-os上面摘抄下来的，这个版本是0.94版本，和最新的0.96c版本有点差别。首先分析一下信号量的基本结构，其实非常简单，就两个变量，其中comm_block_obj是一个通用类型，记录了当前结构的名称、类型和阻塞队列，而count就是计数，判断是否还有释放的资源。

    说到了信号量的操作，无非就是信号量的创建、获取、释放、删除操作，当然这里作者考虑的比较详细，在信号量释放的时候还分成了 WAKE_ONE_SEM和WAKE_ALL_SEM两种类型。意思很简单，就是当信号量来临的时候是唤醒一个等待线程呢，还是唤醒所有的等待线程呢，就是这么回事。下面，我们就按照顺序介绍这几个函数，首先是创建函数，

RAW_U16 raw_semaphore_create(RAW_SEMAPHORE *semaphore_ptr, RAW_U8 *name_ptr, RAW_U32 initial_count)
{
  #if (RAW_SEMA_FUNCTION_CHECK > 0)
  
  if (semaphore_ptr == 0) {
    
    return RAW_NULL_OBJECT;
  }

  if (initial_count == 0xffffffff) {

    return RAW_SEMOPHORE_OVERFLOW;

  }
  
  #endif

  /*Init the list*/
  list_init(&semaphore_ptr->common_block_obj.block_list);
  
  /*Init resource*/
  semaphore_ptr->count     = initial_count;                                 
  
  semaphore_ptr->common_block_obj.name = name_ptr;  
  
  semaphore_ptr->common_block_obj.block_way = 0;
  
  return RAW_SUCCESS;

}

    看着初始化函数，我们发现信号量的初始化其实也非常简单，基本工作主要有：

    （1）判断参数合法性；

    （2）初始化阻塞队列、名称等；

    （3）初始化信号量的计数。

    说完了这些，我们看看信号量的获取是怎么完成的，代码可能长度稍微长一些，不过也不用太紧张，

RAW_U16 raw_semaphore_get(RAW_SEMAPHORE *semaphore_ptr,  RAW_U32 wait_option)
{

  RAW_U16 error_status;

  RAW_SR_ALLOC();

  #if (RAW_SEMA_FUNCTION_CHECK > 0)

  if (semaphore_ptr == 0) {
    
    return RAW_NULL_OBJECT;
  }
  
  if (raw_int_nesting) {

    return RAW_NOT_CALLED_BY_ISR;
  }

  #endif
  
  
  RAW_CRITICAL_ENTER();
  if (semaphore_ptr->count) {                      
    semaphore_ptr->count--;                                       

    RAW_CRITICAL_EXIT();
    
    return RAW_SUCCESS;
  }
  
  /*Cann't get semphore, and return immediately if wait_option is  RAW_NO_WAIT*/
  if (wait_option == RAW_NO_WAIT) { 

    RAW_CRITICAL_EXIT();
    return RAW_NO_PEND_WAIT;
  }      
  
  if (raw_sched_lock) {   
    RAW_CRITICAL_EXIT();  
    return RAW_SCHED_DISABLE;
  }

  raw_pend_object(&semaphore_ptr->common_block_obj, raw_task_active, wait_option);
  RAW_CRITICAL_EXIT();

  raw_sched(); 
  
  error_status = block_state_post_process(raw_task_active, 0);
  return error_status;

}

    信号量的获取情况比较复杂一些，这在长度上也体现出来了。不过没关系，我们一步一步看函数做了什么，

    （1）判断参数合法性；

    （2）判断当前函数是否处于中断处理的流程中，如果是选择返回；

    （3）判断当前count是否为0，如果不为 0，则减1返回；

    （4）如果当前count是0，且线程不愿意等待，那么选择返回；

    （5）如果当前禁止调度，那么依然选择返回；

     （6）当前线程将自己挂起，从ready队列中删除，把自己pend到信号量的阻塞队列中；

     （7）阻塞的线程再次获得了运行的机会，我们从task数据结构获得返回结果，此时也不一定是因为获得了资源的缘故哦。

    上面的get函数看上去比较复杂，但是所有的同步函数基本上都是这样设计的，看多了反而有一种八股文的感觉。刚开始看的同学可能觉得不是很习惯。不要紧，每天多看两眼，时间长了就ok了。好了，接着我们继续去看看信号量的释放函数是怎么处理的，大家做好心理准备哦，

static RAW_U16 internal_semaphore_put(RAW_SEMAPHORE *semaphore_ptr, RAW_U8 opt_wake_all)
{
  LIST *block_list_head;
  
  RAW_SR_ALLOC();

  #if (RAW_SEMA_FUNCTION_CHECK > 0)
  
  if (semaphore_ptr == 0) {
    
    return RAW_NULL_OBJECT;
  }
  
  #endif

  block_list_head = &semaphore_ptr->common_block_obj.block_list;
  
  RAW_CRITICAL_ENTER();
  /*if no block task on this list just return*/
  if (is_list_empty(block_list_head)) {        
      
    if (semaphore_ptr->count == 0xffffffff) {

      RAW_CRITICAL_EXIT();
      return RAW_SEMOPHORE_OVERFLOW;

    }
    /*increase resource*/
      semaphore_ptr->count++;                                      
      
      RAW_CRITICAL_EXIT();
      return RAW_SUCCESS;
  }

  /*wake all the task blocked on this semphore*/
  if (opt_wake_all) {

    while (!is_list_empty(block_list_head)) {
      raw_wake_object(list_entry(block_list_head->next, RAW_TASK_OBJ, task_list));
    }

  }

  else {
    
    /*Wake up the highest priority task block on the semaphore*/
    raw_wake_object(list_entry(block_list_head->next, RAW_TASK_OBJ, task_list));
  }
  
  RAW_CRITICAL_EXIT();

  raw_sched();    

  return RAW_SUCCESS;
}

    看上去，信号量的释放函数也比较长，不过只要有耐心，都是可以看明白的，我们就来具体分析一下，

    （1）判断参数的合法性；

    （2）判断当前是否有等待队列，如果没有，则count自增，函数返回，当然如果count达到了0xffffffff也要返回，不过概率极低；

    （3） 当前存在等待队列，根据opt_wake_all的要求是唤醒一个线程还是唤醒所有的线程；

    （4）调用系统调度函数，让高优先级任务及时得到运行的机会；

    （5）当前线程再次得到运行的机会，函数返回。

    有了上面的讲解，我们发现os的代码其实也没有那么恐怖。所以，请大家一鼓作气，看看信号量是怎么删除的吧，

RAW_U16 raw_semaphore_delete(RAW_SEMAPHORE *semaphore_ptr)
{
  LIST *block_list_head;
  
  RAW_SR_ALLOC();

  #if (RAW_SEMA_FUNCTION_CHECK > 0)
  
  if (semaphore_ptr == 0) {
    
    return RAW_NULL_OBJECT;
  }
  
  #endif

  block_list_head = &semaphore_ptr->common_block_obj.block_list;
  
  RAW_CRITICAL_ENTER();

  /*All task blocked on this queue is waken up*/
  while (!is_list_empty(block_list_head)) {
    delete_pend_obj(list_entry(block_list_head->next, RAW_TASK_OBJ, task_list)); 
  }                             

  RAW_CRITICAL_EXIT();
  raw_sched(); 
  return RAW_SUCCESS;
}

    信号量删除的工作其实很少，也很简单，同样我们也来梳理一下，

    （1）判断参数合法性；

    （2）唤醒阻塞队列中的每一个线程；

    （3）调用系统调度函数，因为高优先级的任务很有可能刚刚从阻塞队列中释放出来；

    （4）当前线程再次运行，函数返回。

    通过上面几个函数的讲解，我们发现关于os互斥部分的代码其实也不复杂。只要对系统本身和中断有一些了解，其实代码都是可以看懂的。当然，上面的代码我们还是讲的比较粗糙，所以有些细节还是要补充一下，

    （1）全局变量操作的函数必须在关中断的情况下进行操作；

    （2）实时系统的抢占是每时每刻都在进行的，比如中断返回时、信号量释放时、调用延时函数、调用调度函数的时候，所以大家心中要有抢占的概念；

    （3）互斥函数中大量使用了链表的结构，建议大家好好掌握链表的相关算法；

    （4）关于os的代码一定要多看、多思考、多练习才会有进步和提高，纸上得来终觉浅、绝知此事要躬行。