RTOS的流緩沖區(qū)機(jī)制解析

SAFERTOS中的流緩沖區(qū)（Stream buffer）機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)到任務(wù)或中斷到任務(wù)之間的通信。字節(jié)流是由發(fā)送方寫入緩沖區(qū)，接收方讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。流緩沖區(qū)作為隊(duì)列的輕量級(jí)級(jí)替代方案，適合單讀單寫場(chǎng)景，寫者在流緩沖區(qū)中放置任意數(shù)量的字節(jié)，讀者讀取任意數(shù)量的字節(jié)。

流緩沖區(qū)

顧名思義，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)先進(jìn)先出的緩沖區(qū)。通過調(diào)用xStreamBufferSend或xStreamBufferSendFromISR API寫緩沖區(qū)，將數(shù)據(jù)添加到緩沖區(qū)末尾，可以使用任務(wù)通知發(fā)信號(hào)通知等待任務(wù)。

流緩沖區(qū)有一個(gè)觸發(fā)級(jí)別，其值為流緩沖區(qū)必須寫入的最小字節(jié)數(shù)，因此，觸發(fā)級(jí)別值可以在1和流緩沖區(qū)的長(zhǎng)度之間。緩沖區(qū)長(zhǎng)度是有限的，這意味著如果從緩沖區(qū)讀操作發(fā)生得不夠快，緩沖區(qū)可能會(huì)滿。

因此，對(duì)緩沖區(qū)的寫入可以是阻塞的（非ISR函數(shù)可以阻塞），阻塞時(shí)間可以自定義?？梢允褂萌蝿?wù)通知將緩沖區(qū)空閑空間通知寫任務(wù)。否則，所有數(shù)據(jù)需在阻塞時(shí)間內(nèi)發(fā)送。

大多數(shù)情況下，由于對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的處理太慢（讀任務(wù)的優(yōu)先級(jí)太低，或者數(shù)據(jù)生成速度比預(yù)期的要快），緩沖區(qū)被盡可能多的字節(jié)填充，API將返回一個(gè)錯(cuò)誤代碼以及寫入的數(shù)據(jù)量。

從流緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)通過調(diào)用xStreamBufferReceive或xStreamBufferReceiveFromISR完成。如果操作成功，函數(shù)返回一個(gè)狀態(tài)碼及讀取的數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)的數(shù)量取決于流緩沖區(qū)中的可用字節(jié)數(shù)和指定數(shù)組的大小，可以指定阻塞時(shí)間（只有非ISR函數(shù)可以阻塞），如果規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)可用，或沒有任務(wù)通知解除阻塞，則會(huì)超時(shí)。盡管發(fā)生了超時(shí)，但流緩沖區(qū)中可能有數(shù)據(jù)，但不足以達(dá)到觸發(fā)級(jí)別（如果觸發(fā)級(jí)別大于1）。讀操作成功將返回可用數(shù)據(jù)。如果從滿流緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，則發(fā)送任務(wù)通知給等待寫數(shù)據(jù)但由于緩沖區(qū)滿而阻塞的任務(wù)。

圖1 Stream buffer示例

圖1的流緩沖器示例應(yīng)用是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，當(dāng)數(shù)據(jù)可用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生中斷。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在中斷服務(wù)程序中發(fā)送到緩沖區(qū)。然后，通知使用數(shù)據(jù)的任務(wù)從流緩沖區(qū)中讀取并處理數(shù)據(jù)，如過濾數(shù)據(jù)或計(jì)算控制器步長(zhǎng)。

消息緩沖（message buffer）

消息緩沖區(qū)建立在流緩沖區(qū)上，用于交換離散的消息。消息具有定義的長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度被附加到有效負(fù)載中。這意味著當(dāng)發(fā)送10字節(jié)的消息時(shí)，消息的長(zhǎng)度（數(shù)字10）首先添加到緩沖區(qū)中，因此接收方可以在讀取消息之前讀取該值，了解有多少字節(jié)的有效載荷。存儲(chǔ)消息長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)是可配置的，必須預(yù)先定義，以便接收方確切地知道從緩沖區(qū)讀取多少字節(jié)以獲得下一條消息的長(zhǎng)度。如何配置存儲(chǔ)消息長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)取決于最大的消息長(zhǎng)度，單個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度可用于最多255字節(jié)的消息，2字節(jié)長(zhǎng)度字段可用于最多65535字節(jié)的消息。

緩沖區(qū)的大小應(yīng)考慮最大消息長(zhǎng)度和長(zhǎng)度字段，例如，報(bào)文長(zhǎng)度為10字節(jié)，長(zhǎng)度字段2字節(jié)，每個(gè)消息的緩沖區(qū)中占用12字節(jié)。

在SAFERTOS中，流緩沖區(qū)和消息緩沖區(qū)使用相同的API函數(shù)。為了區(qū)分兩者，在StreamBuffer結(jié)構(gòu)體中使用了一個(gè)額外的標(biāo)志，在創(chuàng)建流/消息緩沖區(qū)時(shí)指定。API函數(shù)的行為略有不同。

使用流緩沖區(qū)時(shí)，如果指定了阻塞時(shí)間（只有非ISR函數(shù)可以阻塞），讀取和寫入操作可以阻塞。消息緩沖區(qū)的行為與流緩沖區(qū)相似。如果消息緩沖區(qū)中沒有消息，則消息緩沖區(qū)的讀取操作將被阻塞，任務(wù)將阻塞，直到阻塞時(shí)間到或足夠的數(shù)據(jù)被發(fā)送到消息緩沖區(qū)。因?yàn)橄⒉粫?huì)部分發(fā)送，對(duì)于消息緩沖區(qū)，在大多數(shù)情況下觸發(fā)級(jí)別為1字節(jié)是最有用的，單個(gè)字節(jié)消息將解除等待任務(wù)阻塞。

如果緩沖區(qū)不夠用，寫操作就會(huì)阻塞，直到足夠的字節(jié)/消息從緩沖區(qū)中讀取，或阻塞時(shí)間超時(shí)。

圖2 stream buffer序列

多核應(yīng)用

流緩沖區(qū)和消息緩沖區(qū)也可以將在一個(gè)核上數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個(gè)核上執(zhí)行的任務(wù)/中斷中。在非對(duì)稱多處理器配置中，每個(gè)處理器運(yùn)行自己的RTOS實(shí)例。為了在核間共享數(shù)據(jù)，必須使用共享內(nèi)存保存流緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。

為了通知讀核有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，可以使用從一個(gè)核到另一個(gè)核的中斷。

SAFERTOS API有多個(gè)函數(shù)處理多核流緩沖區(qū)的使用，但核心功能很大程度上依賴于處理器體系結(jié)構(gòu)。因此這些函數(shù)為弱定義的樁，必須由應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)特定于核的功能。

要通知讀核一個(gè)緩沖區(qū)寫入完成，可以使用API函數(shù)vStreamBufferSendCompletedMulticore和vStreamBufferSendCompletedFromISRMulticore。如果另一個(gè)核上的任務(wù)試圖從空的流/消息緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并等待數(shù)據(jù)發(fā)送，則調(diào)用這些函數(shù)。使用這些函數(shù)來代替單核場(chǎng)景中的任務(wù)通知，并且可以觸發(fā)等待核的中斷，從而解除等待讀取任務(wù)的阻塞。

使用vStreamBufferReceiveCompletedMulticore和StreamBufferReceiveCompletedFromISRMulticore函數(shù)通知寫核可用的緩沖區(qū)空間。如果另一個(gè)核上的任務(wù)試圖寫滿的緩沖區(qū)并等待發(fā)送數(shù)據(jù)，則調(diào)用這些函數(shù)。使用這些函數(shù)來代替單核場(chǎng)景中的任務(wù)通知，并且可以觸發(fā)等待核的中斷，從而解除等待寫入任務(wù)的阻塞。

多核應(yīng)用的一個(gè)重要方面是對(duì)流/消息緩沖區(qū)數(shù)據(jù)訪問的協(xié)調(diào)。在單核設(shè)備上，一次只能有一個(gè)任務(wù)或中斷處于活動(dòng)狀態(tài)，如果一個(gè)任務(wù)需要訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而不被中斷，它可以在臨界區(qū)內(nèi)操作。當(dāng)多個(gè)核同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，必須防止對(duì)共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的并行訪問。因此，必須使用鎖定機(jī)制來確保核對(duì)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的獨(dú)占訪問。SAFERTOS提供xStreamBufferAttemptToLock和vStreamBufferReleaseLock函數(shù)實(shí)現(xiàn)此功能。這些函數(shù)也是弱定義的樁，應(yīng)用程序必須基于特定于處理器的實(shí)現(xiàn)來協(xié)調(diào)訪問。

圖3 多核示例系統(tǒng)

基于流緩沖區(qū)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，有效地管理任務(wù)之間的數(shù)據(jù)流，確保RTOS應(yīng)用程序中的高效通信和同步。

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