FreeRTOS学习笔记（六）

FreeRTOS学习笔记（六）

在STM32F407ZGT6上用二值信号量实现任务同步

前言

在前一篇中，我们使用了消息队列来实现任务间的消息传递。但在实际的开发项目中，由于消息队列使用的内存过大，或者有时不同任务间，任务与中断间只需要简单的传递给状态，不涉及到具体的数据值，freeRTOS系统引入了信号量这一同步机制。

队列的核心是“传递消息”，而信号量的核心是“控制资源访问”与“任务同步”。

• 什么是信号量？

  信号量（Semaphore），是在多任务环境下使用的一种机制，用在多任务访问同一资源时的资源管理，例如可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。

• FreeRTOS中如何使用信号量？信号量的类型有哪些？

  由于信号量可以是二进制的，也可以是计数型的，所以信号量可以分为二值信号量和计数信号量。互斥信号量看成一种特殊的二值信号量。和二值信号量不同的是，互斥信号量具有优先级继承机制，而二值信号量没有。互斥信号量不能在中断服务函数中使用，而二值信号量可以。

  递归互斥信号量可以看作是特殊的互斥信号量，与互斥信号量不同的是，递归互斥信号量 在被获取后，可以被其持有者重复获取，当然递归互斥信号量的持有者需要释放递归互斥信号 量与之获取递归互斥信号量相同的次数，递归互斥信号量才算被释放。

• 二值信号量具体如何使用？

  任务一般通过xSemaphoreTake()函数试图获取信号量，如果二值信号量无效，任务进入阻塞态。在任务阻塞的过程中，有中断发生，在该中断的中断服务函数中用xSemaphoreGiveFromISR() 函数释放信号量，二值信号量由无效变为有效。

  这时，任务获取信号量成功，任务解除阻塞，开始执行任务处理程序。由于任务函数通常是一个大循环，在任务处理完相关事务后，又会再次调用xSemaphoreTake()函数试图获取信号量，但由于这时二值信号量无效已经从有效变为无效，任务再次进入阻塞态。

  下面简单的介绍一下创建二值信号量的相关函数，后面会再创建一个示例，完成信号量在 FreeRTOS 中的标准使用流程。

  二值信号量相关 API 函数

1. 创建二值信号量

   创建二值信号量可以使用两个宏：xSemaphoreCreateBinary()和xSemaphoreCreateBinaryStatic()。

   创建二值信号量所需的内存，由 FreeRTOS 从 FreeRTOS 管理的堆中进行分配。

   这两个宏最终被队列创建函数xQueueGenericCreate()替换，这在 semphr.h 文件中有定义，如下所示：

   #if(configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION==1)#definexSemaphoreCreateBinary()xQueueGenericCreate((UBaseType_t)1,semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH,queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE)#endif#if(configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION==1)#definexSemaphoreCreateBinaryStatic(pxStaticSemaphore)xQueueGenericCreateStatic((UBaseType_t)1,semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH,NULL,pxStaticSemaphore,queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE)#endif

   根据上面代码所示，要使用上面两个宏创建二值信号量，需要将宏configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION设置为1。

2. 释放二值信号量

   xSemaphoreGive() 也是一个宏，用于释放二值信号量，具体的实现功能的是调用队列发送函数xQueueGenericSend()。

   *@endcode*\defgroup xSemaphoreGive xSemaphoreGive*\ingroup Semaphores*/#definexSemaphoreGive(xSemaphore)xQueueGenericSend((QueueHandle_t)(xSemaphore),NULL,semGIVE_BLOCK_TIME,queueSEND_TO_BACK)

   xSemaphoreGiveFromISR() 和xSemaphoreGive() 类似，也是一个宏，要是感兴趣可以去 semphr.h 中查找，这里不多做阐述。

3. 获取二值信号量

   xSemaphoreTakeFromISR()是用来获取信号量的中断版本，在中断服务函数中使用。他也是一个宏，用于获取二值信号量，该宏可以用于获取计数信号量和二值信号量，但不能用于互斥信号量。

   该宏的定义如下：

   #definexSemaphoreTakeFromISR(xSemaphore,pxHigherPriorityTaskWoken)xQueueReceiveFromISR((QueueHandle_t)(xSemaphore),NULL,(pxHigherPriorityTaskWoken))

   xSemaphoreTake()和xSemaphoreTakeFromISR()类似，也是一个宏，用于获取二值信号量，该宏还可以用于获取计数信号量和互斥信号量。要是感兴趣可以去 semphr.h 中查找，这里不多做阐述。

实例：用二值信号量进行任务同步

​ 本实例是通过对二值信号量的操作，实现任务与任务之间以及任务与中断间的同步。使用appStartTask()函数创建4个任务：

​ 任务1的功能是使LED0闪烁，优先级为3，通过二值信号量实现任务与任务之间的同步，输出信息到串口。

​ 任务2的功能是使LED1闪烁，优先级为3，通过二值信号量实现任务与中断之间的同步，输出信息到串口。

​ 任务3是串口守护函数，优先级为3，其功能是将通过队列传输过来的字符信息在串口上输出，任何情况下只有串口守护函数能访问串口。

​ 任务4是按键扫描函数，优先级为4，其功能是按键扫描，并根据返回的键值执行释放二值信号量、启动定时器等操作。WAKEUP按键用于释放任务与任务间的同步的二值信号量，KEY0用于启动TIM2，利用TIM2的更新中断释放任务和中断之间同步的二值信号量，KEY1用于停止TIM2。

​ 具体代码如下：

appTask.c

#include"freertos_demo.h"#include"led.h"#include"key.h"#include"usart.h"#include<stdio.h>/*********************************************FreeRTOS*************************************************/#include"FreeRTOS.h"#include"task.h"#include"queue.h"#include"semphr.h"/*FreeRTOS配置*//* Led0Task 任务 配置 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务 */staticvoidLed0Task(void*pvParameters);/* 任务函数 */staticTaskHandle_t Led0TaskHandle=NULL;/* 任务句柄 */#defineLed0Task_PRIO3/* 任务优先级 */#defineLed0Task_STK_SIZE128/* 任务堆栈大小 *//* Led1Task 任务 配置 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务 */staticvoidLed1Task(void*pvParameters);/* 任务函数 */staticTaskHandle_t Led1TaskHandle=NULL;/* 任务句柄 */#defineLed1Task_PRIO3/* 任务优先级 */#defineLed1Task_STK_SIZE128/* 任务堆栈大小 *//* printTASK 任务 配置 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务 */staticvoidprintTASK(void*pvParameters);/* 任务函数 */staticTaskHandle_t printTask_Handler=NULL;/* 任务句柄 */#defineprintTask_PRIO3/* 任务优先级 */#defineprintTask_STK_SIZE128/* 任务堆栈大小 *//* keyTASK 任务 配置 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务 */staticvoidkeyTASK(void*pvParameters);/* 任务函数 */staticTaskHandle_t keyTask_Handler=NULL;/* 任务句柄 */#definekeyTask_PRIO4/* 任务优先级 */#definekeyTask_STK_SIZE128/* 任务堆栈大小 */staticcharpcToPrint[80];/*串口打印内容缓冲区*/xQueueHandle xQueuePrint;/*用于创建队列及其他函数*/volatileuint8_tuIRQCounter;/*用于统计中断次数*/SemaphoreHandle_t binKeySemaphore;/*任务与任务之间同步二值信号量句柄*/SemaphoreHandle_t binIRQSemaphore;/*任务与中断之间同步二值信号量句柄*//******************************************************************************************************//** * @brief appStartTask FreeRTOS入口函数 * @param 无 * @retval 无 */voidappStartTask(void){xQueuePrint=xQueueCreate(2,sizeof(pcToPrint));binIRQSemaphore=xSemaphoreCreateBinary();binKeySemaphore=xSemaphoreCreateBinary();if(xQueuePrint!=NULL){taskENTER_CRITICAL();/*进入临界段，关中断*/xTaskCreate((TaskFunction_t)Led0Task,/* 任务函数 */(constchar*)"Led0Task",/* 任务名称 */(uint16_t)Led0Task_STK_SIZE,/* 任务堆栈大小 */(void*)NULL,/* 传入给任务函数的参数 */(UBaseType_t)Led0Task_PRIO,/* 任务优先级 */(TaskHandle_t*)&Led0TaskHandle);/* 任务句柄 */xTaskCreate((TaskFunction_t)Led1Task,/* 任务函数 */(constchar*)"Led1Task",/* 任务名称 */(uint16_t)Led1Task_STK_SIZE,/* 任务堆栈大小 */(void*)NULL,/* 传入给任务函数的参数 */(UBaseType_t)Led1Task_PRIO,/* 任务优先级 */(TaskHandle_t*)&Led1TaskHandle);/* 任务句柄 */xTaskCreate((TaskFunction_t)printTASK,/* 任务函数 */(constchar*)"PrintTask",/* 任务名称 */(uint16_t)printTask_STK_SIZE,/* 任务堆栈大小 */(void*)NULL,/* 传入给任务函数的参数 */(UBaseType_t)printTask_PRIO,/* 任务优先级 */(TaskHandle_t*)&printTask_Handler);/* 任务句柄 */xTaskCreate((TaskFunction_t)keyTASK,/* 任务函数 */(constchar*)"keyTask",/* 任务名称 */(uint16_t)keyTask_STK_SIZE,/* 任务堆栈大小 */(void*)NULL,/* 传入给任务函数的参数 */(UBaseType_t)keyTask_PRIO,/* 任务优先级 */(TaskHandle_t*)&keyTask_Handler);/* 任务句柄 */taskEXIT_CRITICAL();/*退出临界段，开中断*/vTaskStartScheduler();/*开启任务调度器*/}}/** * @brief Led0Task * @param pvParameters : 传入参数 * @retval 无 */staticvoidLed0Task(void*pvParameters){while(1){LED0_TOGGLE();/*LED0闪烁*/vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));/*延时500ms*//*若获取二值信号量成功，则执行一些操作，本例为发送相应信息到串口*/if(xSemaphoreTake(binKeySemaphore,10)==pdTRUE){/*生成待打印输出信息*/sprintf(pcToPrint,"按键任务通过二值信号量同步任务1\r\n");/*打印信息，不直接输出，通过队列发送给串口守护函数*/xQueueSendToBack(xQueuePrint,pcToPrint,0);}}}/** * @brief Led1Task * @param pvParameters : 传入参数 * @retval 无 */staticvoidLed1Task(void*pvParameters){while(1){LED1_TOGGLE();/*LED1闪烁*/vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));/*延时500ms*//*若获取二值信号量成功，则执行一些操作，本例为发送相应信息到串口*/if(xSemaphoreTake(binIRQSemaphore,10)==pdTRUE){/*生成待打印输出信息*/sprintf(pcToPrint,"TIM2中断同步任务2，中断%3d次\r\n",uIRQCounter);/*打印信息，不直接输出，通过队列发送给串口守护函数*/xQueueSendToBack(xQueuePrint,pcToPrint,0);}}}/** * @brief printTASK * @param pvParameters : 传入参数 * @retval 无 */staticvoidprintTASK(void*pvParameters){charpcToWrite[80];while(1){xQueueReceive(xQueuePrint,pcToWrite,portMAX_DELAY);printf("%s",pcToWrite);}}/** * @brief keyTASK * @param pvParameters : 传入参数 * @retval 无 */staticvoidkeyTASK(void*pvParameters){uint8_tkeyValue;//键值externTIM_HandleTypeDef htim2;while(1){keyValue=key_scan();//获取键值if(keyValue==WKUP_PRES){sprintf(pcToPrint,"WAKEUP按键按下，发送同步信号.....\r\n");xQueueSendToBack(xQueuePrint,pcToPrint,0);xSemaphoreGive(binKeySemaphore);}elseif(keyValue==KEY0_PRES){HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);sprintf(pcToPrint,"KEY0按键按下，启动TIM2更新中断.....\r\n");xQueueSendToBack(xQueuePrint,pcToPrint,0);}elseif(keyValue==KEY1_PRES){HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim2);xSemaphoreTake(binIRQSemaphore,10);sprintf(pcToPrint,"KEY1按键按下，停止TIM2.....\r\n");xQueueSendToBack(xQueuePrint,pcToPrint,0);}vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));}}

main.c

/** * @brief Period elapsed callback in non blocking mode * @note This function is called when TIM6 interrupt took place, inside * HAL_TIM_IRQHandler(). It makes a direct call to HAL_IncTick() to increment * a global variable "uwTick" used as application time base. * @param htim : TIM handle * @retval None */voidHAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef*htim){/* USER CODE BEGIN Callback 0 *//* USER CODE END Callback 0 */if(htim->Instance==TIM6){HAL_IncTick();}/* USER CODE BEGIN Callback 1 */externSemaphoreHandle_t binIRQSemaphore;/*任务与中断之间同步二值信号量句柄*/externvolatileuint8_tuIRQCounter;/*用于统计中断次数*/BaseType_t xHighPriorityTaskWoken=pdFALSE;/*推出中断后是否进行任务切换*/if(htim->Instance==TIM2){uIRQCounter++;/*通过发送二值信号量给任务2进行同步，使用freeRTOS的API函数*/xSemaphoreGiveFromISR(binIRQSemaphore,&xHighPriorityTaskWoken);/*如果有更高优先级的任务，退出中断后执行任务切换*/portYIELD_FROM_ISR(xHighPriorityTaskWoken);}/* USER CODE END Callback 1 */}

​ 实例的结果如图所示：