嵌入式实时操作系统RTOS_FreeRTOS的任务同步

• 任务的同步，指协调任务之间的执行顺序，任务之间不进行数据传输的关系
• 使用信号量、事件标志组、线程标志、互斥量来实现

信号量

信号量的分类

• 二值信号量

  取值只为0或1的信号量，取值为0表示事件没有发生，取值为1表示事件已经发生，与之前使用的标志位作用相同

  某个任务设置了二值信号量后，另一个任务在需要任务同步的地方调用这一信号量，如果为0则该任务转为阻塞态，直到信号量有效后转为就绪态

• 计数信号量

  用于资源的计数，其初始值一般为可用资源的数量

  当计数值大于0时，才允许任务执行

信号量的接口函数

• 信号量创建函数osSemaphoreNew

  此函数不能在中断服务程序中调用

  可以由CubeMX自动生成：在FreeRTOS的配置窗口中，选择Timers and Semaphores 标签页，在下方Binary Semaphores 或Counting Semaphores中点击Add

  osSemaphoreNew_t osSemaphoreNew(uint32_t max_count, uint32_t initial_count, const osSemaphoreAttr_t* attr)
  //max_count：信号量最大计数值，为1时就表示二值信号量
  //initial_count：信号量的初值
  //attr：指向信号量属性的指针，默认为NULL
  //返回值为信号量的句柄，用于标识信号量
  

• 信号量获取函数osSemaphoreAcquire

  获取一个信号量，使信号量的值-1

  osSatus_t osSemaphoreAcquire(osSemaphoreNew_t semaphore_id, uint32_t timeout)
  //semaphore_id：所要获取信号量的句柄
  //timeout：超时等待时间，以时钟节拍为单位，使用osWaitForever可以一直等
  /*返回值为函数的执行状态：
  osOK：成功获取信号量，信号量的值减一
  osErrorTimeout：在给定的超时时间内无法获取信号量，如果超时时间为0则可以在中断中调用
  osErrorResource：信号量处在无效状态
  osErrorParameter：参数错误*/
  

• 信号量释放函数osSemaphoreRelease

  释放一个信号量，使信号量的值+1

  osSatus_t osSemaphoreRelease(osSemaphoreId_t semaphore_id)
  /*返回值为函数的执行状态：
  osOK：成功释放信号量，信号量的值加一
  osErrorResource：无法释放信号量
  osErrorParameter：参数错误*/
  

信号量使用代码实现

• 二值信号量的使用

  以按下按键为事件驱动任务，使用中断检测按键，中断与任务之间用二值信号量同步

  注意，在CubeMX中创建信号量后自动生成创建信号量、声明信号量句柄、属性结构体的相关代码，我们只需要使用即可，此处写出仅为方便理解，后文的事件标志组等同理

  //创建一个二值信号量
  osSemaphoreNew_t KeyBinarySemHandle;//定义按键信号量的句柄
  KeyBinarySemHandle = osSemaphoreNew(1,0,NULL);//新建为一个二值信号量，初始值为1
  //中断检测按键
  void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
  {
  	if(GPIO_Pin==B1_Pin)
  	{
  		osSemaphoreRelease(KeyBinarySemHandle);//释放信号量，使之为1
  	}
  }
  //任务函数
  void Task01(void *argument)
  {
  	for{;;}
  	{
  		osSemaphoreAcquire(KeyBinarySemHandle,osWaitForever);
  		//等待信号量，直到信号量为1才进行此任务
  	}
  }
  

• 计数信号量的使用

  计数信号量除了可以作为可用资源的计数器，也可以用于解决信号积压问题：即接收方无法保证在下一次信号到来前能处理完本次接收的信号时，会出现有效响应的次数会小于实际发送的信号次数的现象，那就可以用计数信号量来防止二值信号量未及时响应的信号被丢弃

  //创建一个计数信号量
  osSemaphoreNew_t CountSemHandle;//定义按键信号量的句柄
  CountSemHandle = osSemaphoreNew(10,0,&CountSem_attributes);
  void Task01()
  {
  	for(;;)
  	{
  		osSemaphoreRelease(CountSemHandle);//释放信号量，使之为1
  		osDelay(1000);
  		osSemaphoreRelease(CountSemHandle);
  		osDelay(1000);
  	}
  }
  void Task02()
  {
  	for(;;)
  	{
  		if(osSemaphoreAcquire(CountSemHandle)==osOK)
  		{
  			//如果正确接收到信号量，执行此任务
  			//因为此处执行时间比信号量发送第二次的执行时间长
  			//因此如果用使用二值信号量就会导致错失一次信号发送
  		}
  	}
  }
  

---

事件标志组

事件标志组概述

• 事件标志组简介

  信号量只能实现两个任务之间的同步，如果要实现多个任务的同步，就要使用事件标志组：本质是多个二值信号的组合，每个二值信号就是一个事件标志位，用来表明一个事件是否发生，而一个标志位由相关的任务或ISR(中断服务程序)置位

• 对应事件发生，事件标志组对应标志位有效，触发对应任务，这样的流程实现了多个任务协同控制一个任务

• 显然，这样的流程和我们之前使用标志位时类似，区别在于事件标志组提供了任务的同步和超时处理机制，确保事件所触发的任务能够及时执行

• 独立性同步

  独立性同步(OR)指的是等待的任一个事件发生时，就可触发任务

• 关联性同步

  关联性同步(and)指的是等待的所有事件都发生了，才触发任务

事件标志组的接口函数

• 事件标志组创建函数onEventFlagsNew

  此函数不能在中断服务程序中调用

  可以由CubeMX自动生成

  osEventFlagsId_t onEventFlagsNew(const osEventFlagsAttr_t *attr)
  //attr：指向事件组属性的指针
  //返回值为事件标志组的句柄，用于标识事件标志组
  

• 事件标志组设置函数osEventFlagsSet

  对事件标志组中的一个或多个事件标志位置位

  注意：设置的事件标志位数据类型为uint32_t，但是FreeRTOS中的一组事件标志组最多只有24个事件标志位，实际需要设置的是bit0-bit23

  uint32_t osEventFlagsSet(osEventFlagsId_t ef_id, uint32_t flags)
  //ef_id：事件标志组的句柄
  //flags：事件标志组所要设置的标志位，如设置bit0和bit3时，flags=0x09
  

• 事件标志组等待函数osEventFlagsWait

  等待事件标志组中的一个或多个事件标志位，直到等待的事件标志位置位

  uint32_t osEventFlagsWait(osEventFlagsId_t ef_id, uint32_t flags, uint32_t options, uint32_t timeout)
  //ef_id：事件标志组的句柄
  //flags：所要等待的标志位
  /*options：标志选项
  osFlagsWaitAny：等待任意一个事件标志位（默认选项）
  osFlagsWaitAll：等待所有事件标志位
  osFlagsNoClear：事件标志位置位后，不清除该标志位（默认清除）*/
  //
  //timeout：等待超时时间，0为立刻返回，使用osWaitForever可以一直等
  

事件标志组代码实现

• 以按键按下与定时时间到两个事件来驱动某个任务进行为例

  //创建一个事件标志组
  osEventFlagsId_t EventFlagHandle;//定义事件标志组的句柄
  EventFlagHandle = osEventFlagsNew(NULL);
  void KeyTask()
  {
  	for(;;)
  	{
  		//按键扫描程序，此处略
  		if(/*按键被按下*/)
  		{
  			osEventFlagsSet(EventFlagHandle,0x0001);//置位bit0
  		}
  		osDelay(10);//每隔10ms扫描一次
  	}
  }
  void TimerTask()
  {
  	for(;;)
  	{
  		osDelay(5000);//定时5s
  		osEventFlagsSet(EventFlagHandle,0x0002);//置位bit1
  	}
  }
  void MyTask()
  {
  	for(;;)
  	{
  		osEventFlagsWait(EventFlagHandle,0x0003,osFlagsWaitAll,osWaitForever);
  		//要执行的任务
  		osDelay(1000);
  	}
  }
  

---

线程标志

线程标志概述

• 与事件标志组类似，可以用于多个任务的同步，区别在于其不需要手动创建，而是随着任务创建后存在

• 注意，“线程标志”是 CMSIS-RTOS v2 或其他 RTOS中的概念，FreeRTOS中并没有这一概念，对FreeRTOS来说类似的概念是任务通知，用于通知任务，但两者有所区别，比如线程标志可以进行多事件同步，任务通知则不原生支持；任务通知还可以用于任务的通信，在后文中介绍

• 而且一个任务的线程标志只能由这个任务自己等待，由其他任务设置；相比执行事件标志组就相当于一个公用的资源，任何任务都可以等待或设置

线程标志的接口函数

• 线程标志设置函数osThreadFlagsSet

  线程标志位总共有31位，从bit0到bit30

  uint32_t osThreadFlagsSet(osThreadId_t thread_id, uint32_t flags)
  //thread_id：任务的句柄
  //flags：设置线程标志位
  

• 线程标志等待函数osThreadFlagsWait

  uint32_t osThreadFlagsSet(uint32_t flags, uint32_t options, uint32_t timeout)
  //因为只能由自己等待，所以无需传入句柄
  /*options：标志选项
  osFlagsWaitAny：等待任意一个线程标志位（默认选项）
  osFlagsWaitAll：等待所有线程标志位
  osFlagsNoClear：线程标志位置位后，不清除该标志位（默认清除）*/
  

线程标志代码实现

• 以线程标志实现串口通信为例，在串口接收中断回调函数中置位线程标志，在串口发送任务中等待线程标志，由此实现串口接收到PC传来的字符时将其转发回PC

  uint8_t RxBuffer[10];
  void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
  {
  	if(huart->Instance==USART2)
  	{
  		osThreadFlagsSet(ComTaskHandle,0x0001);//接收到消息后置位
  		HAL_UART_Receive_IT(&huart2,(uint8_t*)RxBuffer,10);
  	}
  }
  void ComTask()
  {
  	for(;;)
  	{
  		osThreadFlagsSet(0x0001,osFlagsWaitAny,osWaitForever);//等待自身标志
  		HAL_UART_Transmit(&huart2,RxBuffer,10,100);//发送回PC
  	}
  }
  

---

互斥量

互斥量概述

• 共享资源与临界区

  会被多个任务访问的资源，称为共享资源

  程序中涉及访问共享资源的语句称为临界区

• 互斥量的作用

  各个任务在进入各自的临界区时，必须互斥访问，以防一个任务在读写的过程中另一个任务也访问，造成共享资源的可靠性与完整性被破坏

  因此，互斥量本质也是二值信号量，一个任务申请后表示这一资源已经被使用，在使用完成后再由这一个任务释放

互斥量接口函数

• 互斥量创建函数osMutexNew

  此函数不能在中断服务程序中调用

  可以由CubeMX自动生成

  osMutexId_t osMutexNew(const osMutexAttr_t *attr)
  //attr：指向互斥量属性的指针
  //返回值为互斥量的句柄，用于标识互斥量
  

• 互斥量获取函数osMuteAcquire

  此函数不能在中断服务程序中调用

  由用户调用

  osSatus_t osMutexAcquire(osMutexId_t mutex_id, uint32_t timeout)
  //mutex_id：所要获取互斥量的句柄
  //timeout：超时等待时间，以时钟节拍为单位，使用osWaitForever可以一直等
  /*返回值为函数的执行状态：
  osOK：成功获取信号量
  osErrorTimeout：在给定的超时时间内无法获取互斥量
  osErrorResource：信号量处在无效状态
  osErrorParameter：参数错误
  osErrorISR：不能从中断服务程序中调用*/
  

• 互斥量释放函数osMutexRelease

  此函数不能在中断服务程序中调用

  由用户调用

  osSatus_t osMutexRelease(osMutexId_t mutex_id)
  

互斥量代码实现

• 同样以串口重定向发送为例，但这次有两个任务都要使用串口，对串口进行互斥访问

  （其实HAL库中的串口函数已经有了互斥锁功能，此处仅作为使用演示）

  osSatus_t UartMutexHandle;
  UartMutexHandle = osMutexNew(NULL);
  void com1Task()
  {
  	for(;;)
  	{
  		osMutexAcquire(UartMutexHandle,osWaitForever);//获取串口资源
  		printf("com1 task use UART\n");
  		osMutexRelease(UartMutexHandle);//释放串口资源
  		osDelay(1000);
  	}
  }
  void com2Task()
  {
  	for(;;)
  	{
  		osMutexAcquire(UartMutexHandle,osWaitForever);//获取串口资源
  		printf("com2 task use UART\n");
  		osMutexRelease(UartMutexHandle);//释放串口资源
  		osDelay(1000);
  	}
  }