11.1 信號(hào)量說明
信號(hào)量是操作系統(tǒng)中重要的一部分,信號(hào)量一般用來進(jìn)行資源管理和任務(wù)同步, FreeRTOS中信號(hào)量又分為二值信號(hào)量、 計(jì)數(shù)型信號(hào)量、互斥信號(hào)量和遞歸互斥信號(hào)量。信號(hào)量在實(shí)際應(yīng)用中最廣泛的兩個(gè)用途是:
- 臨界資源的鎖機(jī)制:用于控制共享資源訪問的場景相當(dāng)于一個(gè)上鎖機(jī)制, 代碼只有獲得了這個(gè)鎖的鑰匙才能夠執(zhí)行。
- 多個(gè)任務(wù)同步機(jī)制:用于任務(wù)與任務(wù)或中斷與任務(wù)之間的同步。
在編寫中斷服務(wù)函數(shù)的時(shí)候我們都知道一定要快進(jìn)快出,中斷服務(wù)函數(shù)里面不能放太多的代碼,否則的話會(huì)影響的中斷的實(shí)時(shí)性。 裸機(jī)編寫中斷服務(wù)函數(shù)的時(shí)候一般都只是在中斷服務(wù)函數(shù)中打個(gè)標(biāo)記,然后在其他的地方根據(jù)標(biāo)記來做具體的處理過程。在使用 RTOS 系統(tǒng)的時(shí)候我們就可以借助信號(hào)量完成此功能, 當(dāng)中斷發(fā)生的時(shí)候就釋放信號(hào)量,中斷服務(wù)函數(shù)不做具體的處理。具體的處理過程做成一個(gè)任務(wù),這個(gè)任務(wù)會(huì)獲取信號(hào)量,如果獲取到信號(hào)量就說明中斷發(fā)生了,那么就開始完成相應(yīng)的處理,這樣做的好處就是中斷執(zhí)行時(shí)間非常短。 這個(gè)例子就是中斷與任務(wù)之間使用信號(hào)量來完成同步,當(dāng)然了, 任務(wù)與任務(wù)之間也可以使用信號(hào)量來完成同步。
在實(shí)際4G/WiFi等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,一般最簡單的方法就是使用一個(gè)任務(wù)去查詢 4G/WiFi 模塊是否有數(shù)據(jù)到來,當(dāng)有數(shù)據(jù)的時(shí)候就處理這個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。但這樣使用輪詢的方式是很浪費(fèi)CPU 資源的,而且也阻止了其他任務(wù)的運(yùn)行。一種理想的解決方法應(yīng)該是當(dāng)沒有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)候網(wǎng)絡(luò)任務(wù)就進(jìn)入阻塞態(tài),把 CPU 讓給其他的任務(wù),當(dāng)有數(shù)據(jù)的時(shí)候網(wǎng)絡(luò)任務(wù)才去執(zhí)行。現(xiàn)在使用二值信號(hào)量就可以實(shí)現(xiàn)這樣的功能,任務(wù)通過獲取信號(hào)量來判斷是否有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),沒有的話就進(jìn)入阻塞態(tài),而網(wǎng)絡(luò)中斷服務(wù)函數(shù)通過釋放信號(hào)量來通知任務(wù)以太網(wǎng)外設(shè)接收到了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)任務(wù)可以去提取處理了。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)只是在一直的獲取二值信號(hào)量,它不會(huì)釋放信號(hào)量,而中斷服務(wù)函數(shù)是一直在釋放信號(hào)量,它不會(huì)獲取信號(hào)量。
接下來,我們以二值信號(hào)量為例,講解信號(hào)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)同步的大致流程。其實(shí),二值信號(hào)量其實(shí)就是一個(gè)只有一個(gè)隊(duì)列項(xiàng)的隊(duì)列,這個(gè)特殊的隊(duì)列要么是滿的,要么是空的。二值信號(hào)量通常用于互斥訪問或任務(wù)同步,它與互斥信號(hào)量非常類似,但是還是有一些細(xì)微的差別,互斥信號(hào)量擁有優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制,二值信號(hào)量沒有優(yōu)先級(jí)繼承。因此二值信號(hào)另更適合用于同步(任務(wù)與任務(wù)或任務(wù)與中斷的同步),而互斥信號(hào)量適合用于簡單的互斥訪問。
- 任務(wù)獲取信號(hào)量有效
如下圖所示,任務(wù)Task通過調(diào)用 xSemaphoreTake() 函數(shù)獲取信號(hào)量,但此時(shí)二值信號(hào)量無效,所以任務(wù)Task進(jìn)入到阻塞態(tài)。 - 中斷釋放信號(hào)量
當(dāng)有數(shù)據(jù)到來產(chǎn)生中斷后,在中斷服務(wù)處理程序中通過調(diào)用 xSemaphoreGiveFromISR() 函數(shù)釋放信號(hào)量,此后二值信號(hào)量有效。 - 任務(wù)獲取信號(hào)量有效
由于此時(shí)信號(hào)量已經(jīng)有效了,所以任務(wù) Task 獲取信號(hào)量成功,任務(wù)從阻塞態(tài)解除,開始執(zhí)行相關(guān)的處理過程。 - 任務(wù)再次進(jìn)入阻塞
由于任務(wù)一般是一個(gè)大的死循環(huán),所以在任務(wù)做完相關(guān)處理以后就會(huì)再次調(diào)用 xSemaphoreTake() 函數(shù)獲取信號(hào)量,但此時(shí)信號(hào)量已經(jīng)失效,因此任務(wù)將進(jìn)入到狀態(tài)1下阻塞等待信號(hào)量有效。
11.2 信號(hào)量API說明
11.2.1 獲取信號(hào)量
不管是二值信號(hào)量、計(jì)數(shù)型信號(hào)量還是互斥信號(hào)量,它們都使用以下兩個(gè)函數(shù)獲取信號(hào)量。
/*
參數(shù):
xSemaphore: 要獲取的信號(hào)量句柄。
?? xBlockTime: 阻塞時(shí)間。??
返回值:
pdTRUE: 獲取信號(hào)量成功。
pdFALSE: 超時(shí),獲取信號(hào)量失敗。
*/
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xBlockTime)
/*
說明: 此函數(shù)用于在中斷服務(wù)函數(shù)中獲取信號(hào)量, 此函數(shù)用于獲取二值信號(hào)量和計(jì)數(shù)型信號(hào)量,絕對(duì)不能使用此函數(shù)來獲取互斥信號(hào)量。
參數(shù): xSemaphore: 要獲取的信號(hào)量句柄。
pxHigherPriorityTaskWoken: 標(biāo)記退出此函數(shù)以后是否進(jìn)行任務(wù)切換,這個(gè)變量的值由這三個(gè)函數(shù)來設(shè)置的,用戶不用進(jìn)行設(shè)置,
用戶只需要提供一個(gè)變量來保存這個(gè)值就行了。當(dāng)此值為 pdTRUE 的時(shí)候在退出中斷服務(wù)函數(shù)之前一定要進(jìn)行一次任務(wù)切換。
回值: pdPASS: 獲取信號(hào)量成功。
pdFALSE: 獲取信號(hào)量失敗。
*/
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken)
11.2.2 釋放信號(hào)量
釋放信號(hào)量分為任務(wù)級(jí)和中斷級(jí)。不管是二值信號(hào)量、計(jì)數(shù)型信號(hào)量還是互斥信號(hào)量,它們都使用以下兩個(gè)函數(shù)釋放信號(hào)量。
/*
參數(shù):xSemaphore: 要釋放的信號(hào)量句柄。
返回值:
pdPASS: 釋放信號(hào)量成功;
errQUEUE_FULL: 釋放信號(hào)量失敗。
*/
BaseType_t xSemaphoreGive( xSemaphore )
/*
說明: 此函數(shù)用于在中斷中釋放信號(hào)量, 此函數(shù)只能用來釋放二值信號(hào)量和計(jì)數(shù)型信號(hào)量,絕對(duì)不能用來在中斷服務(wù)函數(shù)中釋放互斥信號(hào)量。
參數(shù): xSemaphore: 要釋放的信號(hào)量句柄。
pxHigherPriorityTaskWoken: 標(biāo)記退出此函數(shù)以后是否進(jìn)行任務(wù)切換,這個(gè)變量的值由這三個(gè)函數(shù)來設(shè)置的,用戶不用進(jìn)行設(shè)置,
用戶只需要提供一個(gè)變量來保存這個(gè)值就行了。當(dāng)此值為 pdTRUE 的時(shí)候在退出中斷服務(wù)函數(shù)之前一定要進(jìn)行一次任務(wù)切換。
返回值:
pdPASS: 釋放信號(hào)量成功。
errQUEUE_FULL: 釋放信號(hào)量失敗。
*/
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken)
11.2.3 創(chuàng)建二值信號(hào)量
在FreeRTOS中,有兩個(gè)函數(shù)可以創(chuàng)建二值信號(hào)量:
/*
說明: 使用此函數(shù)創(chuàng)建二值信號(hào)量的話信號(hào)量所需要的 RAM 是由 FreeRTOS 的內(nèi)存管理部分來動(dòng)態(tài)分配的。
返回值:
NULL: 二值信號(hào)量創(chuàng)建失敗。
其他值: 創(chuàng)建成功的二值信號(hào)量的句柄。
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void )
/*
說明: 此函數(shù)也是創(chuàng)建二值信號(hào)量的,只不過使用此函數(shù)創(chuàng)建二值信號(hào)量的話信號(hào)量所需要的RAM需要由用戶來分配
參數(shù): pxSemaphoreBuffer: 此參數(shù)指向一個(gè) StaticSemaphore_t 類型的變量,用來保存信號(hào)量結(jié)構(gòu)體。
返回值:
NULL: 二值信號(hào)量創(chuàng)建失敗。
其他值: 創(chuàng)建成功的二值信號(hào)量句柄。
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer )
11.2.4 創(chuàng)建互斥信號(hào)量
在FreeRTOS中,有兩個(gè)函數(shù)可以創(chuàng)建互斥信號(hào)量:
/*
說明:此函數(shù)用于創(chuàng)建一個(gè)互斥信號(hào)量,所需要的內(nèi)存通過動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方法分配。
參數(shù):無
返回值:
NULL: 互斥信號(hào)量創(chuàng)建失敗。
其他值: 創(chuàng)建成功的互斥信號(hào)量的句柄。
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void )
/*
說明: 此函數(shù)也是創(chuàng)建互斥信號(hào)量的,只不過使用此函數(shù)創(chuàng)建互斥信號(hào)量的話信號(hào)量所需要的RAM 需要由用戶來分配
參數(shù): pxMutexBuffer: 此參數(shù)指向一個(gè) StaticSemaphore_t 類型的變量,用來保存信號(hào)量結(jié)構(gòu)體。
返回值:
NULL: 互斥信號(hào)量創(chuàng)建失敗。
其他值: 創(chuàng)建成功的互斥信號(hào)量的句柄。
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer )
11.2.5 創(chuàng)建計(jì)數(shù)信號(hào)量
在FreeRTOS中,有兩個(gè)函數(shù)可以創(chuàng)建計(jì)數(shù)信號(hào)量:
/*
說明: 此函數(shù)用于創(chuàng)建一個(gè)計(jì)數(shù)型信號(hào)量,所需要的內(nèi)存通過動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方法分配。
參數(shù):
uxMaxCount: 計(jì)數(shù)信號(hào)量最大計(jì)數(shù)值,當(dāng)信號(hào)量值等于此值的時(shí)候釋放信號(hào)量就會(huì)失敗。
uxInitialCount: 計(jì)數(shù)信號(hào)量初始值。
返回值:
NULL: 計(jì)數(shù)型信號(hào)量創(chuàng)建失敗。
其他值: 計(jì)數(shù)型信號(hào)量創(chuàng)建成功,返回計(jì)數(shù)型信號(hào)量句柄。
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount,UBaseType_t uxInitialCount )
/*
說明: 此函數(shù)也是用來創(chuàng)建計(jì)數(shù)型信號(hào)量的,使用此函數(shù)創(chuàng)建計(jì)數(shù)型信號(hào)量的時(shí)候所需要的內(nèi)存需要由用戶分配。
參數(shù):
uxMaxCount: 計(jì)數(shù)信號(hào)量最大計(jì)數(shù)值,當(dāng)信號(hào)量值等于此值的時(shí)候釋放信號(hào)量就會(huì)失敗。
uxInitialCount: 計(jì)數(shù)信號(hào)量初始值。
pxSemaphoreBuffer: 指向一個(gè) StaticSemaphore_t 類型的變量,用來保存信號(hào)量結(jié)構(gòu)體。
返回值:
NULL: 計(jì)數(shù)型信號(hào)量創(chuàng)建失敗。
其他值: 計(jì)數(shù)型號(hào)量創(chuàng)建成功,返回計(jì)數(shù)型信號(hào)量句柄。
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount,UBaseType_t uxInitialCount,StaticSemaphore_t * pxSemaphoreBuffer )
11.2.6 遞歸互斥信號(hào)量
遞歸互斥信號(hào)量可以看是一種特殊的互斥信號(hào)量,已經(jīng)獲取了信號(hào)量的任務(wù)就不能再次獲取這個(gè)互斥量,但是遞歸互斥信號(hào)量不同,已經(jīng)獲取了遞歸互斥信號(hào)量的任務(wù)可以再次獲取這個(gè)遞歸互斥信號(hào)量,次數(shù)不限。也就是在同一個(gè)任務(wù)中可以無限次獲取遞歸互斥信號(hào)量,中途不需要釋放,而互斥信號(hào)量獲取一次后就失效,需要再次釋放才有效。注意:任務(wù)獲取多少次遞歸互斥信號(hào)量,就要釋放多少次遞歸信號(hào)量。
/*
說明: 動(dòng)態(tài)創(chuàng)建遞歸互斥信號(hào)量
參數(shù): 無
返回值:創(chuàng)建失敗NULL,創(chuàng)建成功返回信號(hào)量句柄。
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex( void )
#define xSemaphoreCreateRecursiveMutex() xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX )
/*
說明: 靜態(tài)創(chuàng)建遞歸互斥信號(hào)量
參數(shù): pxMutexBuffer:指向StaticSemaphore_t類型的變量,用來保存信號(hào)量結(jié)構(gòu)體。
返回值: 創(chuàng)建失敗NULL,創(chuàng)建成功返回信號(hào)量句柄。
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer )
#define xSemaphoreCreateRecursiveMutexStatic( pxStaticSemaphore ) xQueueCreateMutexStatic( queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX, pxStaticSemaphore )
/*
說明: 釋放遞歸互斥信號(hào)量
參數(shù): xMutex: 信號(hào)量句柄
返回值:
pdPASS: 釋放信號(hào)量成功
pdFAIL: 釋放信號(hào)量失敗
*/
xSemaphoreGiveRecursive( SemaphoreHandle_t xMutex )
#define xSemaphoreGiveRecursive( xMutex ) xQueueGiveMutexRecursive( ( xMutex ) )
/*
說明:獲取遞歸互斥信號(hào)量
參數(shù):
xMutex: 信號(hào)量句柄
xBlockTime:阻塞時(shí)間
返回值:
pdPASS: 獲取信號(hào)量成功
pdFAIL: 獲取信號(hào)量失敗
*/
xSemaphoreTakeRecursive( SemaphoreHandle_t xMutex, TickType_t xBlockTime );
#define xSemaphoreTakeRecursive( xMutex, xBlockTime )
xQueueTakeMutexRecursive( ( xMutex ), ( xBlockTime ) )
11.3 信號(hào)量多任務(wù)同步實(shí)例
在這里我們將創(chuàng)建兩個(gè)Led線程,其中藍(lán)色Led線程每隔200ms閃爍一次,而紅色Led線程則每隔1200ms閃爍一次。然后我們使用二值信號(hào)量的機(jī)制,讓兩個(gè)Led線程同步交替閃爍一次。
11.3.1 創(chuàng)建兩個(gè)線程任務(wù)
如下圖所示,單擊窗格頂部的 “New Thread” 按鈕,添加兩個(gè)線程分別命名為 thread_led1 和 thread_led2 ,其它的保持默認(rèn)配置即可,并重新生成代碼。
如下圖所示,單擊窗口的 “New Object” 按鈕,選擇 “Binary Semaphore” 添加一個(gè)二值信號(hào)量,然后修改該信號(hào)量的名稱為 g_led_semaphore ,并重新生成代碼。
11.3.2 修改信號(hào)量實(shí)例代碼
修改 thread_led1_entry.c 源碼如下:
#include "thread_led1.h"
/* Led Thread entry function */
/* pvParameters contains TaskHandle_t */
void thread_led1_entry(void *pvParameters)
{
FSP_PARAMETER_NOT_USED (pvParameters);
R_BSP_PinAccessEnable(); /* Enable access to the PFS registers. */
/* TODO: add your own code here */
while (1)
{
xSemaphoreTake( g_led_semaphore, portMAX_DELAY );
R_BSP_PinWrite(LedRed, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
vTaskDelay (600);
R_BSP_PinWrite(LedRed, BSP_IO_LEVEL_LOW);
vTaskDelay (600);
}
}
- 如果不加信號(hào)量操作部分代碼,紅色Led將每隔1200ms閃爍一次;
- 這里調(diào)用了xSemaphoreTake() 函數(shù)來獲取信號(hào)量 g_led_semaphore,如果 thread_led2 線程沒有運(yùn)行并釋放信號(hào)量的話,它將會(huì)阻塞;
- xSemaphoreTake() 函數(shù)在獲取到信號(hào)之后,將會(huì)讓紅色Led閃爍一次;
- 之后該線程將會(huì)再次調(diào)用了xSemaphoreTake() 函數(shù),等待 thread_led2 線程釋放信號(hào);
修改 thread_led2_entry.c 源碼如下:
#include "thread_led2.h"
/* Led Thread entry function */
/* pvParameters contains TaskHandle_t */
void thread_led2_entry(void *pvParameters)
{
FSP_PARAMETER_NOT_USED (pvParameters);
R_BSP_PinAccessEnable(); /* Enable access to the PFS registers. */
/* TODO: add your own code here */
while (1)
{
if( pdTRUE == xSemaphoreGive( g_led_semaphore) )
{
R_BSP_PinWrite(LedBlue, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
vTaskDelay (100);
R_BSP_PinWrite(LedBlue, BSP_IO_LEVEL_LOW);
vTaskDelay (100);
}
}
}
- 如果不加信號(hào)量操作部分代碼,藍(lán)色Led將每隔200ms閃爍一次;
- 這里調(diào)用了xSemaphoreGive() 函數(shù)釋放信號(hào)量 g_led_semaphore,用來同步通知 thread_led1 線程運(yùn)行;
- xSemaphoreGive() 函數(shù)在釋放信號(hào)之后,如果 thread_led1 沒有來得及獲取信號(hào)量的話,則會(huì)返回pdFALSE;
- 這樣,如果 thread_led1 沒有運(yùn)行的話,藍(lán)色Led也不會(huì)閃爍了,從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)線程中的Led同步交替閃爍一次效果了;
-
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