任何一個操作系統(tǒng)都會提供大量的API供程序員使用，μC/OS-Ⅱ也不例外。由于μC/OS-Ⅱ面向的是嵌入式開發(fā)，并不要求大而全，所以內(nèi)核提供的API也就大多和多任務息息相關。本文通過分析μC/OS-Ⅱ中提供的API來引出μC/OS-Ⅱ中API的設計思路和實現(xiàn)機制。

API全稱ApplicaTION Programming Interface，中文是應用程序編程接口的意思。API是操作系統(tǒng)提供給用戶的一組函數(shù)，供用戶在編寫應用程序時調(diào)用，可以完成應用程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的各種調(diào)用，包括進程調(diào)度、存儲管理、圖形設備接口及文件管理等。μC/OS-Ⅱ作為一個嵌入式操作系統(tǒng)，相對于其他操作系統(tǒng)，有很多自己的特色，在設計思路和實現(xiàn)機制上都和一般操作系統(tǒng)有很大的不同。

1. 簡介

任何一個操作系統(tǒng)都會提供大量的API供程序員使用，μC/OS-Ⅱ也不例外。由于μC/OS-Ⅱ面向的是嵌入式開發(fā)，并不要求大而全，所以內(nèi)核提供的API也就大多和多任務息息相關。μC/OS-Ⅱ的API主要分以下幾類：(1)任務類、(2)消息類、(3)同步類、(4)時間類、(5)臨界區(qū)與事件類等。下面分別從這幾類API分析各自的設計思路和實現(xiàn)機制。

2. 任務類API的設計思路和實現(xiàn)機制

μC/OS-Ⅱ可以管理多達64個任務，并從中保留了四個最高優(yōu)先級和四個最低優(yōu)先級的任務供自己使用，所以用戶可以使用的只有56個任務。任務類API包括如何在用戶的應用程序中建立任務、刪除任務、改變?nèi)蝿盏膬?yōu)先級、掛起和恢復任務，以及獲得有關任務的信息等。

2.1 建立任務API

想讓μC/OS-Ⅱ管理用戶的任務，用戶必須要先建立任務。用戶可以通過傳遞任務地址和其它參數(shù)到以下兩個函數(shù)之一來建立任務：OSTaskCreate() 或 OSTaskCreateExt()。

OSTaskCreate()與μC/OS是向下兼容的，OSTaskCreateExt()是OSTaskCreate()的擴展版本，提供了一些附加的功能。用兩個函數(shù)中的任何一個都可以建立任務。任務可以在多任務調(diào)度開始前建立，也可以在其它任務的執(zhí)行過程中被建立。在開始多任務調(diào)度(即調(diào)用OSStart())前，用戶必須建立至少一個任務。任務不能由中斷服務程序(ISR)來建立。

OSTaskCreate()的函數(shù)定義如下。從中可以知道，OSTaskCreate()需要四個參數(shù)：task是任務代碼的指針，pdata是當任務開始執(zhí)行時傳遞給任務的參數(shù)的指針，ptos是分配給任務的堆棧的棧頂指針，prio是分配給任務的優(yōu)先級。

INT8U OSTaskCreate (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT8U prio)

用OSTaskCreateExt()函數(shù)來建立任務會更加靈活，但會增加一些額外的開銷。

OSTaskCreateExt()需要九個參數(shù)!前四個參數(shù)(task,pdata,ptos和prio)與OSTaskCreate()的四個參數(shù)完全相同，連先后順序都一樣。這樣做的目的是為了使用戶能夠更容易地將用戶的程序從OSTaskCreate()移植到OSTaskCreateExt()上去。函數(shù)的定義如下：

INT8U OSTaskCreateExt (void (*task)(void *pd),

void *pdata,

OS_STK *ptos,

INT8U prio,

INT16U id,

OS_STK *pbos,

INT32U stk_size,

void *pext,

INT16U opt)

2.2 刪除任務API

有時候刪除任務是很有必要的。刪除任務,是說任務將返回并處于休眠狀態(tài)，并不是說任務的代碼被刪除了，只是任務的代碼不再被μC/OS-Ⅱ調(diào)用。通過調(diào)用OSTaskDel()就可以完成刪除任務的功能。OSTaskDel()一開始應確保用戶所要刪除的任務并非是空閑任務，因為刪除空閑任務是不允許的。不過，用戶可以刪除statistic任務。接著，OSTaskDel()還應確保用戶不是在ISR例程中去試圖刪除一個任務，因為這也是不被允許的。調(diào)用此函數(shù)的任務可以通過指定OS_PRIO_SELF參數(shù)來刪除自己。接下來OSTaskDel()會保證被刪除的任務是確實存在的。該函數(shù)的入口參數(shù)很簡單，只需要知道要刪除任務的優(yōu)先級即可。

INT8U OSTaskDel (INT8U prio)

2.3 改變?nèi)蝿諆?yōu)先級API

在用戶建立任務的時候會分配給任務一個優(yōu)先級。在程序運行期間，用戶可以通過調(diào)用OSTaskChangePrio()來改變?nèi)蝿盏膬?yōu)先級。換句話說，就是μC/OS-Ⅱ允許用戶動態(tài)的改變?nèi)蝿盏膬?yōu)先級。函數(shù)定義如下：

INT8U OSTaskChangePrio (INT8U oldprio, INT8U newprio)

用戶不能改變空閑任務的優(yōu)先級，但用戶可以改變調(diào)用本函數(shù)的任務或者其它任務的優(yōu)先級。為了改變調(diào)用本函數(shù)的任務的優(yōu)先級，用戶可以指定該任務當前的優(yōu)先級或OS_PRIO_SELF，OSTaskChangePrio()會決定該任務的優(yōu)先級。用戶還必須指定任務的新(即想要的)優(yōu)先級。因為μC/OS-Ⅱ不允許多個任務具有相同的優(yōu)先級，所以OSTaskChangePrio()需要檢驗新優(yōu)先級是否是合法的(即不存在具有新優(yōu)先級的任務)。如果新優(yōu)先級是合法的，μC/OS-Ⅱ通過將某些東西儲存到OSTCBPrioTbl[newprio]中保留這個優(yōu)先級。如此就使得OSTaskChangePrio()可以重新允許中斷，因為此時其它任務已經(jīng)不可能建立擁有該優(yōu)先級的任務，也不能通過指定相同的新優(yōu)先級來調(diào)用OSTaskChangePrio()。接下來OSTaskChangePrio()可以預先計算新優(yōu)先級任務的OS_TCB中的某些值。而這些值用來將任務放入就緒表或從該表中移除。

2.4 掛起任務和恢復任務API

有時候?qū)⑷蝿諕炱鹗呛苡杏玫?。掛起任務可通過調(diào)用OSTaskSuspend()函數(shù)來完成。被掛起的任務只能通過調(diào)用OSTaskResume()函數(shù)來恢復。任務掛起是一個附加功能。也就是說，如果任務在被掛起的同時也在等待延時的期滿，那么，掛起操作需要被取消，而任務繼續(xù)等待延時期滿，并轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)。任務可以掛起自己或者其它任務。

OSTaskSuspend()函數(shù)的函數(shù)定義如下：

INT8U OSTaskSuspend (INT8U prio)

恢復任務OSTaskResume()函數(shù)定義為：

INT8U OSTaskResume (INT8U prio)

被掛起的任務只有通過調(diào)用OSTaskResume()才能恢復。因為OSTaskSuspend()不能掛起空閑任務，所以必須得確認用戶的應用程序不是在恢復空閑任務。注意，這個測試也可以確保用戶不是在恢復優(yōu)先級為OS_PRIO_SELF的任務(OS_PRIO_SELF被定義為0xFF，它總是比OS_LOWEST_PRIO大)。

2.5 獲得任務信息API

用戶的應用程序可以通過調(diào)用OSTaskQuery()來獲得自身或其它應用任務的信息。實際上，OSTaskQuery()獲得的是對應任務的OS_TCB中內(nèi)容的拷貝。用戶能訪問的OS_TCB的數(shù)據(jù)域的多少決定于用戶的應用程序的配置(參看OS_CFG.H)。由于μC/OS-Ⅱ是可裁剪的，它只包括那些用戶的應用程序所要求的屬性和功能。[!--empirenews.page--]

void MyTask (void *pdata)

函數(shù)參數(shù)為一指針變量，指向?qū)蝿盏腛S_TCB結(jié)構(gòu)地址。本函數(shù)是有用的調(diào)試工具。

3. 消息和同步類API的設計思路和實現(xiàn)機制

μC/OS-Ⅱ中有三種方法實現(xiàn)消息通信和同步：信號量、郵箱和消息隊列。一個任務或者中斷服務子程序可以通過事件控制塊ECB(Event Control Blocks)來向另外的任務發(fā)信號。這里，所有的信號都被看成是事件(Event)。這也說明為什么上面把用于通訊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫做事件控制塊。一個任務還可以等待另一個任務或中斷服務子程序給它發(fā)送信號。這里要注意的是，只有任務可以等待事件發(fā)生，中斷服務子程序是不能這樣做的。對于處于等待狀態(tài)的任務，還可以給它指定一個最長等待時間，以此來防止因為等待的事件沒有發(fā)生而無限期地等下去。多個任務可以同時等待同一個事件的發(fā)生。在這種情況下，當該事件發(fā)生后，所有等待該事件的任務中，優(yōu)先級最高的任務得到了該事件并進入就緒狀態(tài)，準備執(zhí)行。上面講到的事件，可以是信號量、郵箱或者消息隊列等。當事件控制塊是一個信號量時，任務可以等待它，也可以給它發(fā)送消息。

μC/OS-II中的信號量由兩部分組成：一個是信號量的計數(shù)值，它是一個16位的無符號整數(shù)(0 到65,535之間);另一個是由等待該信號量的任務組成的等待任務表。用戶要在OS_CFG.H中將OS_SEM_EN開關量常數(shù)置成1，這樣μC/OS-II才能支持信號量。

郵箱是μC/OS-II中另一種通訊機制，它可以使一個任務或者中斷服務子程序向另一個任務發(fā)送一個指針型的變量。該指針指向一個包含了特定“消息”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了在μC/OS-II中使用郵箱，必須將OS_CFG.H中的OS_MBOX_EN常數(shù)置為1。

消息隊列是μC/OS-II中另一種通訊機制，它可以使一個任務或者中斷服務子程序向另一個任務發(fā)送以指針方式定義的變量。因具體的應用有所不同，每個指針指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變量也有所不同。為了使用μC/OS-II的消息隊列功能，需要在OS_CFG.H 文件中，將OS_Q_EN常數(shù)設置為1，并且通過常數(shù)OS_MAX_QS來決定μC/OS-II支持的最多消息隊列數(shù)。

μC/OS-Ⅱ提供一系列API函數(shù)供用戶調(diào)用，實現(xiàn)各個任務之間的通信和同步功能。下面以信號量為例說明各個API的實現(xiàn)。

μC/OS-II提供了5個對信號量進行操作的函數(shù)。它們是：OSSemCreate()，OSSemPend()，OSSemPost()，OSSemAccept()和OSSemQuery()函數(shù)。圖 F6.5說明了任務、中斷服務子程序和信號量之間的關系。圖中用鑰匙或者旗幟的符號來表示信號量：如果信號量用于對共享資源的訪問，那么信號量就用鑰匙符號。符號旁邊的數(shù)字N代表可用資源數(shù)。對于二值信號量，該值就是1;如果信號量用于表示某事件的發(fā)生，那么就用旗幟符號。這時的數(shù)字N代表事件已經(jīng)發(fā)生的次數(shù)。從圖 F6.5中可以看出OSSemPost()函數(shù)可以由任務或者中斷服務子程序調(diào)用，而OSSemPend()和OSSemQuery()函數(shù)只能有任務程序調(diào)用。

3.1建立一個信號量, OSSemCreate()

OS_EVENT *OSSemCreate (INT16U cnt)

函數(shù)參數(shù)傳遞的是要創(chuàng)建的信號量的初始值，在函數(shù)內(nèi)部對任務控制塊進行初始化。OSSemCreate()返回給調(diào)用函數(shù)一個指向任務控制塊的指針。以后對信號量的所有操作，如OSSemPend(), OSSemPost(), OSSemAccept()和OSSemQuery()都是通過該指針完成的。因此，這個指針實際上就是該信號量的句柄。如果系統(tǒng)中沒有可用的任務控制塊，OSSemCreate()將返回一個NULL指針。

值得注意的是，在μC/OS-II中，信號量一旦建立就不能刪除了，因此也就不可能將一個已分配的任務控制塊再放回到空閑ECB鏈表中。如果有任務正在等待某個信號量，或者某任務的運行依賴于某信號量的出現(xiàn)時，刪除該任務是很危險的。

3.2等待一個信號量, OSSemPend()

void OSSemPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err)

它首先檢查指針pevent所指的任務控制塊是否是由OSSemCreate()建立的。如果信號量當前是可用的(信號量的計數(shù)值大于0)，將信號量的計數(shù)值減1，然后函數(shù)將“無錯”錯誤代碼返回給它的調(diào)用函數(shù)。顯然，如果正在等待信號量，這時的輸出正是我們所希望的，也是運行OSSemPend()函數(shù)最快的路徑。

3.3發(fā)送一個信號量, OSSemPost()

INT8U OSSemPost (OS_EVENT *pevent)

它首先檢查參數(shù)指針pevent指向的任務控制塊是否是OSSemCreate()函數(shù)建立的，接著檢查是否有任務在等待該信號量。如果該任務控制塊中的.OSEventGrp域不是0，說明有任務正在等待該信號量。這時，就要調(diào)用函數(shù)OSEventTaskRdy()，使一個任務進入就緒狀態(tài)，把其中的最高優(yōu)先級任務從等待任務列表中刪除并使它進入就緒狀態(tài)。然后，調(diào)用OSSched()任務調(diào)度函數(shù)檢查該任務是否是系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級的就緒任務。如果是，這時就要進行任務切換[當OSSemPost()函數(shù)是在任務中調(diào)用的]，準備執(zhí)行該就緒任務。如果不是，OSSched()直接返回，調(diào)用OSSemPost()的任務得以繼續(xù)執(zhí)行。如果這時沒有任務在等待該信號量，該信號量的計數(shù)值就簡單地加1。

上面是由任務調(diào)用OSSemPost()時的情況。當中斷服務子程序調(diào)用該函數(shù)時，不會發(fā)生上面的任務切換。如果需要，任務切換要等到中斷嵌套的最外層中斷服務子程序調(diào)用OSIntExit()函數(shù)后才能進行。

3.4無等待地請求一個信號量, OSSemAccept()

INT16U OSSemAccept (OS_EVENT *pevent)

當一個任務請求一個信號量時，如果該信號量暫時無效，也可以讓該任務簡單地返回，而不是進入睡眠等待狀態(tài)。這種情況下的操作是由OSSemAccept()函數(shù)完成的。該函數(shù)在最開始也是檢查參數(shù)指針pevent指向的事件控制塊是否是由OSSemCreate()函數(shù)建立的，接著從該信號量的事件控制塊中取出當前計數(shù)值，并檢查該信號量是否有效(計數(shù)值是否為非0值)。如果有效，則將信號量的計數(shù)值減1，然后將信號量的原有計數(shù)值返回給調(diào)用函數(shù)。調(diào)用函數(shù)需要對該返回值進行檢查。如果該值是0，說明該信號量無效。如果該值大于0，說明該信號量有效，同時該值也暗示著該信號量當前可用的資源數(shù)。應該注意的是，這些可用資源中，已經(jīng)被該調(diào)用函數(shù)自身占用了一個(該計數(shù)值已經(jīng)被減1)。中斷服務子程序要請求信號量時，只能用OSSemAccept()而不能用OSSemPend()，因為中斷服務子程序是不允許等待的。[!--empirenews.page--]

3.5查詢一個信號量的當前狀態(tài), OSSemQuery()

INT8U OSSemQuery (OS_EVENT *pevent, OS_SEM_DATA *pdata)

在應用程序中，用戶隨時可以調(diào)用函數(shù)OSSemQuery()來查詢一個信號量的當前狀態(tài)。該函數(shù)有兩個參數(shù)：一個是指向信號量對應事件控制塊的指針pevent。該指針是在生產(chǎn)信號量時，由OSSemCreate()函數(shù)返回的;另一個是指向用于記錄信號量信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)OS_SEM_DATA(見uCOS_II.H)的指針pdata。因此，調(diào)用該函數(shù)前，用戶必須先定義該結(jié)構(gòu)變量，用于存儲信號量的有關信息。在這里，之所以使用一個新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的原因在于，調(diào)用函數(shù)應該只關心那些和特定信號量有關的信息，而不是象OS_EVENT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含的很全面的信息。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只包含信號量計數(shù)值.OSCnt和等待任務列表.OSEventTbl[]、.OSEventGrp，而OS_EVENT中還包含了另外的兩個域.OSEventType和.OSEventPtr。

4. 時間類API的設計思路和實現(xiàn)機制

μC/OS-Ⅱ(其它內(nèi)核也一樣)要求用戶提供定時中斷來實現(xiàn)延時與超時控制等功能。這個定時中斷叫做時鐘節(jié)拍，它應該每秒發(fā)生10至100次。時鐘節(jié)拍的實際頻率是由用戶的應用程序決定的。時鐘節(jié)拍的頻率越高，系統(tǒng)的負荷就越重。

下面主要講述五個與時鐘節(jié)拍有關的API函數(shù)。

4.1 任務延時函數(shù)，OSTimeDly()

void OSTimeDly (INT16U ticks)

這應該程序員們調(diào)用最多的一個函數(shù)了，這個函數(shù)完成功能很簡單，就是先掛起當起當前任務，然后進行任務切換，在指定的時間到來之后，將當前任務恢復為就緒狀態(tài)，但是并不一定運行，如果恢復后是優(yōu)先級最高就緒任務的話，那么運行之。簡單點說，就是可以任務延時一定時間后再次執(zhí)行它，或者說，暫時放棄CPU的使用權(quán)。一個任務可以不顯式的調(diào)用這些可以導致放棄CPU使用權(quán)的API，但那樣多任務性能會大大降低，因為此時僅僅依靠時鐘機制在進行任務切換。一個好的任務應該在完成一些操作主動放棄使用權(quán)。

4.2 按時分秒延時函數(shù) OSTimeDlyHMSM()

INT8U OSTimeDlyHMSM (INT8U hours, INT8U minutes, INT8U seconds, INT16U milli)

OSTimeDly()雖然是一個非常有用的函數(shù)，但用戶的應用程序需要知道延時時間對應的時鐘節(jié)拍的數(shù)目。增加了OSTimeDlyHMSM()函數(shù)后，用戶就可以按小時(H)、分(M)、秒(S)和毫秒(m)來定義時間了，這樣會顯得更自然些。與OSTimeDly()一樣，調(diào)用OSTimeDlyHMSM()函數(shù)也會使μC/OS-Ⅱ進行一次任務調(diào)度，并且執(zhí)行下一個優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務。任務調(diào)用OSTimeDlyHMSM()后，一旦規(guī)定的時間期滿或者有其它的任務通過調(diào)用OSTimeDlyResume()取消了延時，它就會馬上處于就緒態(tài)。同樣，只有當該任務在所有就緒態(tài)任務中具有最高的優(yōu)先級時，它才會立即運行。

4.3 讓處在延時期的任務結(jié)束延時，OSTimeDlyResume()

INT8U OSTimeDlyResume (INT8U prio)

μC/OS-Ⅱ允許用戶結(jié)束延時正處于延時期的任務。延時的任務可以不等待延時期滿，而是通過其它任務取消延時來使自己處于就緒態(tài)。這可以通過調(diào)用OSTimeDlyResume()和指定要恢復的任務的優(yōu)先級來完成。實際上，OSTimeDlyResume()也可以喚醒正在等待事件的任務，雖然這一點并沒有提到過。在這種情況下，等待事件發(fā)生的任務會考慮是否終止等待事件。

4.4 系統(tǒng)時間，OSTimeGet()和OSTimeSet()

INT32U OSTimeGet (void)

void OSTimeSet (INT32U ticks)

用戶可以通過調(diào)用OSTimeGet()來獲得該計數(shù)器的當前值。也可以通過調(diào)用OSTimeSet()來改變該計數(shù)器的值。注意，在訪問OSTime的時候中斷是關掉的。這是因為在大多數(shù)8位處理器上增加和拷貝一個32位的數(shù)都需要數(shù)條指令，這些指令一般都需要一次執(zhí)行完畢，而不能被中斷等因素打斷。

5. 臨界區(qū)類API的設計思路和實現(xiàn)機制

和其它內(nèi)核一樣，μC/OS-Ⅱ為了處理臨界段代碼需要關中斷，處理完畢后再開中斷。這使得μC/OS-Ⅱ能夠避免同時有其它任務或中斷服務進入臨界段代碼。

μC/OS-Ⅱ定義兩個宏(macros)來關中斷和開中斷，以便避開不同C編譯器廠商選擇不同的方法來處理關中斷和開中斷。μC/OS-Ⅱ中的這兩個宏調(diào)用分別是：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。因為這兩個宏的定義取決于所用的微處理器，故在文件OS_CPU.H中可以找到相應宏定義。每種微處理器都有自己的OS_CPU.H文件。

5.1 OS_ENTER_CRITICAL宏

很多人都以為它是個函數(shù)，其實不然，仔細分析一下OS_CPU.H文件，它和下面馬上要談到的OS_EXIT_CRITICAL都是宏。他們都是涉及特定CPU的實現(xiàn)。一般都被替換為一條或者幾條嵌入式匯編代碼。由于系統(tǒng)希望向上層程序員隱藏內(nèi)部實現(xiàn)，故而一般都宣稱執(zhí)行此條指令后系統(tǒng)進入臨界區(qū)。其實，它就是關個中斷而已。這樣，只要任務不主動放棄CPU使用權(quán)，別的任務就沒有占用CPU的機會了，相對這個任務而言，它就是獨占了。所以說進入臨界區(qū)了。這個宏能少用還是少用，因為它會破壞系統(tǒng)的一些服務，尤其是時間服務。并使系統(tǒng)對外界響應性能降低。

5.2 OS_EXIT_CRITICAL宏

這個是和上面介紹的宏配套使用另一個宏，它在系統(tǒng)手冊里的說明是退出臨界區(qū)。其實它就是重新開中斷。需要注意的是，它必須和上面的宏成對出現(xiàn)，否則會帶來意想不到的后果。最壞的情況下，系統(tǒng)會崩潰。我們推薦程序員們盡量少使用這兩個宏調(diào)用，因為他們的確會破壞系統(tǒng)的多任務性能。

6. 結(jié)束語

通過對μC/OS-II中這幾類API的簡單分析，我們可以看出μC/OS-II作為一個多任務、搶占式嵌入式操作系統(tǒng)，其API都是為多任務及其多任務之間的調(diào)度和通信的實現(xiàn)來設計的。μC/OS-II提供的API簡潔而靈活，使用戶在設計實際應用時能夠很方便的利用系統(tǒng)提供的各種調(diào)用，充分發(fā)揮μC/OS-II實時、高效的優(yōu)點。