SAFERTOS中的流緩沖區(qū)（Stream buffer）機制，可以實現(xiàn)任務到任務或中斷到任務之間的通信。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)作為隊列的輕量級級替代方案，適合單讀單寫場景，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，存儲數(shù)據(jù)的結構是一個先進先出的緩沖區(qū)。通過調用xStreamBufferSend或xStreamBufferSendFromISR API寫緩沖區(qū)，將數(shù)據(jù)添加到緩沖區(qū)末尾，可以使用任務通知發(fā)信號通知等待任務。

流緩沖區(qū)有一個觸發(fā)級別，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)級別值可以在1和流緩沖區(qū)的長度之間。緩沖區(qū)長度是有限的，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)可能會滿。

因此，對緩沖區(qū)的寫入可以是阻塞的（非ISR函數(shù)可以阻塞），阻塞時間可以自定義?？梢允褂萌蝿胀ㄖ獙⒕彌_區(qū)空閑空間通知寫任務。否則，所有數(shù)據(jù)需在阻塞時間內發(fā)送。

大多數(shù)情況下，由于對發(fā)送數(shù)據(jù)的處理太慢（讀任務的優(yōu)先級太低，或者數(shù)據(jù)生成速度比預期的要快），緩沖區(qū)被盡可能多的字節(jié)填充，API將返回一個錯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)通過調用xStreamBufferReceive或xStreamBufferReceiveFromISR完成。如果操作成功，函數(shù)返回一個狀態(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，可以指定阻塞時間（只有非ISR函數(shù)可以阻塞），如果規(guī)定的時間內沒有數(shù)據(jù)可用，或沒有任務通知解除阻塞，則會超時。盡管發(fā)生了超時，但流緩沖區(qū)中可能有數(shù)據(jù)，但不足以達到觸發(fā)級別（如果觸發(fā)級別大于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)送任務通知給等待寫數(shù)據(jù)但由于緩沖區(qū)滿而阻塞的任務。

圖1 Stream buffer示例

圖1的流緩沖器示例應用是一個模數(shù)轉換器，當數(shù)據(jù)可用時就會產(chǎn)生中斷。轉換后的數(shù)據(jù)在中斷服務程序中發(fā)送到緩沖區(qū)。然后，通知使用數(shù)據(jù)的任務從流緩沖區(qū)中讀取并處理數(shù)據(jù)，如過濾數(shù)據(jù)或計算控制器步長。

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。消息具有定義的長度，其長度被附加到有效負載中。這意味著當發(fā)送10字節(jié)的消息時，消息的長度（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。存儲消息長度的字節(jié)數(shù)是可配置的，必須預先定義，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度。如何配置存儲消息長度的字節(jié)數(shù)取決于最大的消息長度，單個字節(jié)長度可用于最多255字節(jié)的消息，2字節(jié)長度字段可用于最多65535字節(jié)的消息。

緩沖區(qū)的大小應考慮最大消息長度和長度字段，例如，報文長度為10字節(jié)，長度字段2字節(jié)，每個消息的緩沖區(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結構體中使用了一個額外的標志，在創(chuàng)建流/消息緩沖區(qū)時指定。API函數(shù)的行為略有不同。

使用流緩沖區(qū)時，如果指定了阻塞時間（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，任務將阻塞，直到阻塞時間到或足夠的數(shù)據(jù)被發(fā)送到消息緩沖區(qū)。因為消息不會部分發(fā)送，對于消息緩沖區(qū)，在大多數(shù)情況下觸發(fā)級別為1字節(jié)是最有用的，單個字節(jié)消息將解除等待任務阻塞。

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

圖2 stream buffer序列

多核應用

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

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

SAFERTOS API有多個函數(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構。因此這些函數(shù)為弱定義的樁，必須由應用程序實現(xiàn)特定于核的功能。

要通知讀核一個緩沖區(qū)寫入完成，可以使用API函數(shù)vStreamBufferSendCompletedMulticore和vStreamBufferSendCompletedFromISRMulticore。如果另一個核上的任務試圖從空的流/消息緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并等待數(shù)據(jù)發(fā)送，則調用這些函數(shù)。使用這些函數(shù)來代替單核場景中的任務通知，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。如果另一個核上的任務試圖寫滿的緩沖區(qū)并等待發(fā)送數(shù)據(jù)，則調用這些函數(shù)。使用這些函數(shù)來代替單核場景中的任務通知，并且可以觸發(fā)等待核的中斷，從而解除等待寫入任務的阻塞。

多核應用的一個重要方面是對流/消息緩沖區(qū)數(shù)據(jù)訪問的協(xié)調。在單核設備上，一次只能有一個任務或中斷處于活動狀態(tài)，如果一個任務需要訪問數(shù)據(jù)結構而不被中斷，它可以在臨界區(qū)內操作。當多個核同時處于活動狀態(tài)時，必須防止對共享數(shù)據(jù)結構的并行訪問。因此，必須使用鎖定機制來確保核對緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結構的獨占訪問。SAFERTOS提供xStreamBufferAttemptToLock和vStreamBufferReleaseLock函數(shù)實現(xiàn)此功能。這些函數(shù)也是弱定義的樁，應用程序必須基于特定于處理器的實現(xiàn)來協(xié)調訪問。

圖3 多核示例系統(tǒng)

基于流緩沖區(qū)機制可以實現(xiàn)任務間實時數(shù)據(jù)處理，有效地管理任務之間的數(shù)據(jù)流，確保RTOS應用程序中的高效通信和同步。

麥克泰技術是安全預認證操作系統(tǒng)SAFERTOS在中國的代理商，具有超過20年嵌入式實時操作系統(tǒng)和功能安全軟件服務的市場、服務和培訓經(jīng)驗，聯(lián)系info@bmrtech.com。