在多道程序系统中，进程是并发执行的。这些进程间存在着不同的相互制约关系，主要表现..

2009年下半年下午试卷案例

第 5 题

知识点	操作系统键盘进程信号信号量实例同步与互斥信号量机制

在多道程序系统中，进程是并发执行的。这些进程间存在着不同的相互制约关系，主要表现为同步和互斥两个方面。信号量机制是解决进程间同步与互斥的有效方法。下面是信号量应用实例。
下图所示代码是在μC/OS-II操作系统上运行的一个应用的主函数。该函数创建了任务Taskl和Task2,其中Taskl实现从键盘读入一个字符的功能，Task2将该字符输出到屏幕，它们使用信号量和一个公共变量buffer来传递该字符。
主函数、Taskl和Task2中所调用的函数原型说明如下：
a. 创建一个信号量：OS_EVENT*OSSemCreate(INT16Uvalue);
b. 创建一个任务：INT8UOSTaskCreate(void(*task)(void*pd),void*pdata,OS_STK*ptos,INT8Uprio);
c. 开始执行多任务：voidOSStart(void);
d. 从键盘读入一个字符：charscancO;
e. 输出一个字符至屏幕：voidprintc(charch);
f. 发出一个信号量：INT8UOSSemPost(OS_EVENT*pevent);
g. 等待一个信号量：voidOSSemPend(OS_EVENT*pevent,INT16Utimeout,INT8U*err)

问题：5.1 请简述什么是临界资源？什么是临界区？访问临界资源应遵循哪些原则？

问题：5.2 设S为信号量，P、V操作的形式化定义如下图（a)和（b)所示，请完成该形式化定义，将应填入（n)处的内容写在答题纸的对应栏中。

问题：5.3 请根据本题要求完善任务Taskl和任务Task2的程序代码，填补图中的空缺，将答案填写在答题纸的对应栏中。

知识点讲解

· 操作系统

· 键盘

· 进程

· 信号

· 信号量

· 实例

· 同步与互斥

· 信号量机制

操作系统

编写嵌入式软件有两种选择：一是自己编写内核；二是使用现成的操作系统。如果嵌入式软件只需要完成一项非常小的工作，例如在电动玩具、空调中，就不需要一个功能完整的操作系统。但如果系统的规模较大、功能较复杂，那么最好还是使用一个现成的操作系统。可用于嵌入式系统软件开发的操作系统有很多，但关键是如何选择一个适合开发项目的操作系统，可以从以下几点进行考虑：

（1）操作系统提供的开发工具。有些实时操作系统只支持该系统供应商的开发工具，因此，还必须从操作系统供应商处获得编译器、调试器等；而有的操作系统应用广泛，且有第三方工具可用，因此选择的余地比较大。

（2）操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要的问题，是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此，要选择那些可移植性程度高的操作系统，以避免因移植带来的种种困难。

（3）操作系统的内存要求，有些操作系统对内存有较大要求。

（4）操作系统的可剪裁性、实时性能等。

键盘

键盘的结构通常有两种形式：线性键盘和矩阵键盘。在不同的场合下，这两种键盘均得到了广泛的应用。

线性键盘由若干个独立的按键组成，每个按键的一端与微机的一个I/O口相连。有多少个键就要有多少根连线与微机的I/O口相连，因此，只适用于按键少的场合。矩阵键盘的按键按N行M列排列，每个按键占据行列的一个交点，需要的I/O口数目是N+M，容许的最大按键数是N×M。显然，矩阵键盘可以减少与微机接口的连线数，简化结构，是一般微机常用的键盘结构。根据矩阵键盘的识键和译键方法的不同，矩阵键盘又可以分为非编码键盘和编码键盘两种。

非编码键盘主要用软件的方法识键和译键。根据扫描方法的不同，可以分为行扫描法、列扫描法和反转法3种。

编码键盘主要用硬件来实现键的扫描和识别，通常使用8279专用接口芯片，在硬件上要求较高。

进程

简单而言，一个进程就是一个正在运行的程序。一般来说，一个进程至少应该包括以下几个方面的内容。

.相应的程序：进程既然是一个正在运行的程序，当然需要有相应程序的代码和数据。

.CPU上下文：指程序在运行时，CPU中各种寄存器的当前值，包括：程序计数器，用于记录将要取出的指令的地址；程序状态字，用于记录处理器的运行状态信息；通用寄存器，用于存放数据或地址；段寄存器，用于存放程序中各个段的地址；栈指针寄存器，用于记录栈顶的当前位置。

.一组系统资源：包括操作系统用来管理进程的数据结构、进程的内存地址空间、进程正在使用的文件等。

进程有动态性、独立性和并发行三个特性。

（1）动态性。进程是一个正在运行的程序，而程序的运行状态是在不断地变化的。例如，当一个程序在运行的时候，每执行完一条指令，PC寄存器的值就会增加，指向下一条即将执行的指令。而CPU中用来存放数据和地址的那些通用寄存器，它们的值肯定也不断地变化。另外，堆和栈的内容也在不断地变化，每当发生一次函数调用时，就会在栈中分配一块空间，用来存放此次函数调用的参数和局部变量。而当函数调用结束后，这块栈空间就会被释放掉。

（2）独立性。一个进程是一个独立的实体，是计算机系统资源的使用单位。每个进程都有自己的运行上下文和内部状态，在它运行的时候独立于其他的进程。

（3）并发性。从宏观上来看，在系统中同时有多个进程存在，它们相互独立地运行。

下图表示四个进程A、B、C、D在系统中并发地运行。从中可以看出，虽然从宏观上来说，这四个进程都是在系统中运行，但从微观上来看，在任何一个特定的时刻，只有一个进程在CPU上运行。从时间上来看，开始是进程A在运行，然后是进程B在运行，然后是进程C和进程D。接下来又轮到了进程A去运行。因此，在单CPU的情形下，所谓的并发性，指的是宏观上并发运行，而微观上还是顺序运行，各个进程轮流去使用CPU资源。

四个进程在并发运行

在具体实现上，以CPU中的程序计数器PC为例，真正物理上的PC寄存器只有一个。当四个进程在轮流执行时，PC取值的运动轨迹是先在进程A内部流动，然后再到进程B的内部流动，再到进程C和D。从进程的独立性角度来说，每个进程都有“自己”独立的PC寄存器，即逻辑上的PC寄存器，它们的取值相互独立、互不影响。所谓的逻辑PC，其实就是一个内存变量。例如，在上图中，当进程A要执行的时候，就把A的逻辑PC的值拷贝到物理PC中，然后开始运行。当轮到B运行的时候，先把物理PC的当前值保存到A的逻辑PC中，然后再把B的逻辑PC的值装入到物理PC中，即可运行。这样就实现了各个进程的轮流运行。

信号

任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间，可以通过相互发送信号的方式，来协调它们之间的运行步调。

所谓的信号，指的是系统给任务的一个指示，表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部（如其他的任务、硬件或定时器），也可能来自于内部（如执行指令出错）。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR（Asynchronous Signal Routine），与中断服务程序不同的是，ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候，如果它收到了一个信号，将暂停执行当前的指令，转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换，因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。

信号机制与中断处理机制非常相似，但又各有不同。它们的相同点是：

.都具有中断性：在处理中断和异步信号时，都要暂时地中断当前任务的运行；

.都有相应的服务程序；

.都可以屏蔽响应：外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽，任务也能够选择不对异步信号进行响应。

信号机制与中断机制的不同点是：

.中断是由硬件或特定的指令产生，而信号是由系统调用产生；

.中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行；而信号则通过发送信号的系统调用来触发，但系统不一定马上对它进行处理；

.中断处理程序是在系统内核的上下文中运行，是全局的；而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞，可能出现优先级反转的现象，即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时，高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞，问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务，导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。

一个优先级反转的示例

如上图所示，系统存在任务1、任务2、任务3（优先级从高到低排列）和资源R。某时，任务1和任务2都被阻塞，任务3运行且占用资源R。一段时间后，任务1和任务2相继就绪，任务1抢占任务3运行，由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3，任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R，因此任务1一直被阻塞。极端情况下，任务1永远无法运行，处于饿死状态。

解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。

优先级继承协议

L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol，PIP）。

PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用，而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是：当低优先级任务正在使用资源，高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时，低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别，保证低优先级任务继续使用当前资源，以尽快完成访问，尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行，从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中，继承了高优先级任务的优先级，所以该协议被称作优先级继承协议。

由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时，优先级继承才会发生，在此之前，高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行，所以优先级继承协议不能防止死锁，而且阻塞是可以传递的，会形成链式阻塞。另外，优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下，一个需要μ个资源，并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min（μ，v）次。

优先级冲顶协议

J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议（Priority Ceiling Protocol，PCP）。

PCP协议扩展了PIP协议，能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的，每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值，等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻，当前系统冲顶值（current priority ceiling）等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问，则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时，只有其优先级高于当前系统冲顶值，或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源，否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。

已经证明，PCP协议的执行规则能防止死锁，但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞（Priority ceiling blocking）。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞，而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞（avoidance blocking），意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此，在PCP协议下，每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后，能静态分析和确定任务之间的资源竞争，计算出任务可能经历的最大阻塞时间，从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下，高优先级任务被阻塞时会放弃处理器，因此，访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。

信号量

信号量是1965年由著名的荷兰计算机科学家Dijkstra提出的，其基本思路是使用一种新的变量类型，即信号量来记录当前可用资源的数量。

在信号量的具体实现上，有两种不同的方式。

（1）方式一：要求信号量的取值必须大于或等于0。如果信号量的值等于0，表示当前已没有可用的空闲资源；如果信号量的值大于0，则该值就代表了当前可用的空闲资源数量；

（2）方式二：信号量的取值可正可负。如果是正数或0，其含义与方式一是相同的；如果是负数，则它的绝对值就代表正在等待进入临界区的任务个数。

信号量是由操作系统来维护的，任务不能直接去修改它的值，只能通过初始化和两个标准原语（即P、V原语）来对它进行访问。在初始化时，可以指定一个非负整数，即空闲资源的总数。所谓的原语，通常由若干条语句组成，用来实现某个特定的操作，并通过一段不可分割或不可中断的程序来实现其功能。原语是操作系统内核的一个组成部分，必须在内核态下执行。原语的不可中断性是通过在其执行过程中关闭中断来实现的。

P、V原语作为操作系统内核代码的一部分，是一种不可分割的原子操作。它们在运行时，不会被时钟中断所打断。另外，在P、V原语中包含有任务的阻塞和唤醒机制，因此，当任务在等待进入临界区的时候，会被阻塞起来，而不会去浪费CPU时间。

P原语中的字母P，是荷兰语单词测试的首字母。它的主要功能是申请一个空闲的资源，把信号量的值减1。如果成功的话，就退出原语；如果失败的话，这个任务就会被阻塞起来。V原语当中的字母V，是荷兰语单词增加的首字母。它的主要功能是释放一个被占用的资源，把信号量的值加1，如果发现有被阻塞的任务，就从中选择一个把它唤醒。

采用信号量来实现任务之间的互斥，优点有两个：一是可以设置信号量的计数值，从而允许多个任务同时进入临界区；二是当一个任务暂时无法进入临界区时，它会被阻塞起来，从而让出CPU给其他的任务。

大多数嵌入式操作系统都提供了信号量的机制，用户可以通过函数调用的方式去使用。

实例

某考务处理系统有如下功能：

（1）对考生送来的报名单进行检查。

（2）对合格的报名单进行检查。

（3）对阅卷站送来的成绩清单进行检查，并根据考试中心指定的合格标准审定合格者。

（4）制作考生通知单（内含成绩合格／不合格标志）送给考生。

（5）按地区、年龄、文化程度、职业和考试级别等进行成绩分类统计和试题难度分析，产生统计分析表。

该考务处理系统的分层数据流图如下图所示。

考务处理系统分层数据流图

同步与互斥

同步是合作进程间的直接制约问题，互斥是申请临界资源进程间的间接制约问题。

进程间的同步

在计算机系统中，多个进程可以并发执行，每个进程都以各自独立的、不可预知的速度向前推进，但是需要在某些确定点上协调相互合作进程间的工作。例如，进程A向缓冲区送数据，进程B从缓冲区取数据加工，当进程B要取数据加工时，必须是进程A完成了向缓冲区送数据的操作，否则进程B必须停下来等待进程A的操作结束。

可见，所谓进程间的同步是指在系统中一些需要相互合作，协同工作的进程，这样的相互联系称为进程的同步。

进程间的互斥

进程的互斥是指系统中多个进程因争用临界资源而互斥执行。在多道程序系统环境中，各进程可以共享各类资源，但有些资源一次只能供一个进程使用，称为临界资源（Critical Resource，CR），如打印机、共享变量和表格等。

临界区管理的原则

临界区（Critical Section，CS）是进程中对临界资源实施操作的那段程序。对互斥临界区管理的4条原则如下：

（1）有空即进。当无进程处于临界区时，允许进程进入临界区，并且只能在临界区运行有限的时间。

（2）无空则等。当有一个进程在临界区时，其他欲进入临界区的进程必须等待，以保证进程互斥地访问临界资源。

（3）有限等待。对于要求访问临界资源的进程，应保证进程能在有限的时间进入临界区，以免陷入“饥饿”状态。

（4）让权等待。当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机，以免进程陷入忙等状态。

信号量机制

荷兰学者Dijkstra于1965年提出的信号量机制是一种有效的进程同步与互斥工具。目前，信号量机制有了很大的发展，主要有整型信号量、记录型信号量和信号量集机制。

整型信号量与PV操作

信号量是一个整型变量，根据控制对象的不同被赋予不同的值。信号量分为如下两类：

（1）公用信号量。实现进程间的互斥，初值为1或资源的数目。

（2）私用信号量。实现进程间的同步，初值为0或某个正整数。

信号量S的物理意义：S≥0表示某资源的可用数，若S<0，则其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数。

对于系统中的每个进程，其工作的正确与否不仅取决于它自身的正确性，而且与它在执行中能否与其他相关进程正确地实施同步互斥有关。PV操作是实现进程同步与互斥的常用方法。P操作和V操作是低级通信原语，在执行期间不可分割。其中，P操作表示申请一个资源，V操作表示释放一个资源。

P操作的定义：S:=S-1。若S≥0，则执行P操作的进程继续执行；若S<0，则将该进程置为阻塞状态（因为无可用资源），并将其插入阻塞队列。

P操作可用如下过程表示，其中，Semaphore表示所定义的变量是信号量。

V操作定义：S:=S+1。若S>0，则执行V操作的进程继续执行；若S≤0，则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列，然后执行V操作的进程继续。

V操作可用如下过程表示：

利用PV操作实现进程的互斥

令信号量mutex的初值为1，当进入临界区时执行P操作，退出临界区时执行V操作。这样，利用PV操作实现进程互斥的代码段如下：

利用PV操作实现进程的同步

进程的同步是由于进程间合作引起的相互制约的问题，要实现进程的同步可用一个信号量与消息联系起来，当信号量的值为0时表示等待的消息未产生，当信号量的值为非0时表示等待的消息已经存在。假定用信号量S表示某条消息，进程可以通过调用P操作测试消息是否到达，调用V操作通知消息已准备好。最典型的同步问题是单缓冲区的生产者和消费者的同步问题。

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