【Arduino FreeRTOS教程】信号量和互斥量的使用方法

风筝

在之前的文章中，我们已经介绍了在Arduino中使用FreeRTOS的基础知识以及队列Queue内核对象的使用方法。在本文中，我们将继续学习有关FreeRTOS及其高级API的更多信息，帮助您更加深入地了解多任务平台。

信号量（Semaphore）和互斥量（Mutex）是用于同步、资源管理和保护资源免遭破坏的内核对象。在本文的前半部分，我们将了解信号量背后的思想，以及如何使用。在后半部分，我们将介绍如何使用互斥量。

什么是信号量？

在之前的文章中，我们已经讨论过任务优先级，并且还知道高优先级的任务会抢占低优先级的任务，因此在执行高优先级的任务时，低优先级的任务可能会发生数据损坏的情况。因为该任务尚未执行，并且数据不断从传感器传到该任务，这会导致数据丢失和整个应用程序故障。

因此，需要保护资源免受数据丢失的影响，而信号量在这里起着重要的作用。

信号量（Semaphore）是一种信令机制，其中处于等待状态的任务由另一个任务发出信号以执行。换句话说，当task1完成工作时，它将显示一个标志或将标志加1，然后另一个任务（task2）接收到该标志，表明它现在可以执行其工作。当task2完成工作后，该标志将减少1。

因此，从根本上讲，它是一种“给予”和“接受”机制，而信号量是一个整数变量，用于同步对资源的访问。

FreeRTOS中的信号量类型

信号量有两种类型。

1.  二进制信号量（Binary Semaphore）

2.  计数信号量（Counting Semaphore）

1.  二进制信号量：它具有两个整数值0和1。它与长度为1的队列有些相似。例如，我们有两个任务task1和task2。 Task1将数据发送到task2，因此task2继续检查队列项是否为1，然后它可以读取数据，否则必须等待直到变为1。在获取数据之后，task2递减队列并将其设为0，这意味着task1再次可以将数据发送到task2。

从上面的示例可以说，二进制信号量用于任务之间或任务与中断之间的同步。

2.  计数信号量：它的值大于0，并且可以认为长度大于1的队列。该信号量用于计数事件。在这种使用情况下，事件处理程序将在事件发生时“给出”信号量（增加信号量计数值），处理程序任务将在每次处理事件时“接收”信号量（减少信号量计数值）。 。

因此，计数值为发生的事件数与已处理的事件数之差。

现在，让我们看看如何在FreeRTOS代码中使用信号量。

如何在FreeRTOS中使用信号量？

FreeRTOS支持不同的API，用于创建信号量、获取信号量和提供信号量。

现在，同一内核对象可以有两种类型的API。如果必须从ISR提供信号量，则无法使用常规信号量API。您应该使用受中断保护的API。

在本文中，我们将使用二进制信号量，因为它易于理解和实现。由于此处使用了中断功能，因此您需要在ISR函数中使用受中断保护的API。当我们说用中断同步任务时，这意味着在ISR之后立即将任务置于“运行”状态。

1.  创建信号量：

要使用任何内核对象，我们必须首先创建。要创建二进制信号量，请使用vSemaphoreCreateBinary()。

该API不带任何参数，并返回SemaphoreHandle_t类型的变量。创建一个全局变量名称sema_v来存储信号量。

1. SemaphoreHandle_t  sema_v;
   
2. sema_v = xSemaphoreCreateBinary();

复制代码

2.  提供信号量

为了提供信号量，有两个API函数，-一种用于中断，另一种用于常规任务。

1.  xSemaphoreGive()：此API在创建信号量时仅接受一个参数，即上述信号量的变量名，如sema_v。可以从要同步的任何常规任务中调用它。

2.  xSemaphoreGiveFromISR()：该函数是xSemaphoreGive()的受中断保护的API函数。当需要同步ISR和正常任务时，应从ISR函数中使用xSemaphoreGiveFromISR()。

3.  获取信号量

要获取信号量，请使用API​​函数xSemaphoreTake()。该API带有两个参数。

1. xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait );

复制代码

xSemaphore：信号量的名称，在本例中为sema_v。

xTicksToWait：这是任务在“阻塞”状态下等待信号量变为可用的最长时间。在本文中，我们将xTicksToWait设置为portMAX_DELAY，以使task_1在Blocked状态下无限期等待，直到sema_v可用。

现在，让我们使用这些API并编写代码来执行一些任务。

这里一个按钮和两个LED相连。该按钮将充当中断按钮，该按钮连接到Arduino Uno的引脚2。当按下此按钮时，将产生一个中断，并且连接到引脚8的LED指示灯将亮起，再次按下该指示灯将熄灭。

因此，当按下按钮时，ISR函数将调用xSemaphoreGiveFromISR()，而TaskLED函数将调用xSemaphoreTake()函数。

为了使系统看起来具有多任务处理能力，请将其他LED与引脚7连接，该引脚将始终处于闪烁状态。

信号量代码说明

让我们打开Arduino IDE开始编写代码

1.  首先，包括Arduino_FreeRTOS.h头文件。现在，如果使用任何内核对象（例如队列信号量），那么还必须为其包含头文件。

1. #include <Arduino_FreeRTOS.h>
   
2. #include <semphr.h>

复制代码

2.  声明一个SemaphoreHandle_t类型的变量来存储信号量的值。

1. SemaphoreHandle_t interruptSemaphore;

复制代码

3.  在void setup()中，使用xTaskCreate创建两个任务（TaskLED和TaskBlink），然后使用xSemaphoreCreateBinary()创建一个信号量。创建一个具有相同优先级的任务，稍后尝试使用此任务。另外，将引脚2配置为输入，并启用内部上拉电阻并连接中断引脚。最后，启动调度程序，如下所示。

1. void setup() {
   
2.   pinMode(2, INPUT_PULLUP);
   
3.   xTaskCreate(TaskLed,  "Led", 128, NULL, 0, NULL );
   
4. xTaskCreate(TaskBlink,  "LedBlink", 128, NULL, 0, NULL );
   
5.   interruptSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();
   
6.   if (interruptSemaphore != NULL) {
   
7.     attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), debounceInterrupt, LOW);
   
8.   }
   
9. }

复制代码

4.  现在，实现ISR函数。创建一个函数，并将其命名为与attachInterrupt()函数的第二个参数相同的名称。为了使中断正常工作，您需要使用毫秒函数并通过调整时间来消除按钮的抖动问题。从此函数中，如下所示调用interruptHandler()函数。

1. long debouncing_time = 150;
   
2. volatile unsigned long last_micros;
   
3. void debounceInterrupt() {
   
4. if((long)(micros() - last_micros) >= debouncing_time * 1000) {
   
5. interruptHandler();
   
6. last_micros = micros();
   
7. }
   
8. }

复制代码

在interruptHandler()函数中，调用xSemaphoreGiveFromISR()函数。

1. void interruptHandler() {
   
2. xSemaphoreGiveFromISR(interruptSemaphore, NULL);
   
3. }

复制代码

此函数将向TaskLed提供信号量以打开LED。

5.  创建一个TaskLed函数，并在while循环内，调用xSemaphoreTake()API并检查信号量是否成功获取。如果等于pdPASS（即1），则如下图所示使LED切换。

1. void TaskLed(void *pvParameters)
   
2. {
   
3. (void) pvParameters;
   
4. pinMode(8, OUTPUT);
   
5. while(1) {
   
6. if (xSemaphoreTake(interruptSemaphore, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
   
7. digitalWrite(8, !digitalRead(8));
   
8. }  
   
9. }
   
10. }

复制代码

6.  此外，创建一个函数来使连接到引脚7的其他LED闪烁。

1. void TaskLed1(void *pvParameters)
   
2. {
   
3. (void) pvParameters;
   
4. pinMode(7, OUTPUT);
   
5. while(1) {
   
6. digitalWrite(7, HIGH);
   
7. vTaskDelay(200 / portTICK_PERIOD_MS);
   
8. digitalWrite(7, LOW);
   
9. vTaskDelay(200 / portTICK_PERIOD_MS);
   
10. }
    
11. }

复制代码

7. void loop函数保持为空。、

1. void loop() {}

复制代码

以上就是全部代码。现在，上传此代码，并根据电路图将LED和按钮与Arduino UNO连接。

电路原理图

上载代码后，您将看到一个LED在200毫秒后闪烁，并且当按下按钮时，第二个LED将立即点亮。

这样，信号量可以在Arduino的FreeRTOS中使用，它需要将数据从一个任务传递到另一个任务而不会造成任何损失。

现在，让我们看看什么是互斥量以及如何在FreeRTOS使用它。

什么是互斥量？

如上所述，信号量是一种信号传递机制，与互斥量不同，互斥量（Mutex）是一种锁定机制，与具有独立的增量和递减功能的信号量不同，但在互斥量中，该功能本身具有并给出。这是一种避免共享资源损坏的技术。

为了保护共享资源，可以为资源分配一个令牌卡（互斥体）。拥有此卡的人都可以访问其他资源。其他人应该等到卡归还。这样，只有一种资源可以访问任务，而其他资源则等待机会。

让我们借助示例来了解FreeRTOS中的互斥量。

这里我们有三个任务，一个任务是在LCD上打印数据，第二个任务是将LDR数据发送到LCD任务，最后一个任务是在LCD上发送温度数据。因此，这里有两个任务共享同一个资源，即LCD。如果LDR任务和温度任务同时发送数据，则数据之一可能已损坏或丢失。

因此，为了保护数据丢失，我们需要为任务1锁定LCD资源，直到它完成显示任务为止。然后LCD任务将解锁，然后task2可以执行其工作。

您可以在下图中观察互斥量和信号量的工作。

如何在FreeRTOS中使用互斥量？

互斥量也可以与信号量相同地使用。首先，创建它，然后使用相应的API进行使用。

1.  创建互斥量

要创建一个互斥量，请使用xSemaphoreCreateMutex()。顾名思义，互斥量是一种二进制信号量。它们用于不同的上下文和目的。二进制信号量用于同步任务，而互斥量用于保护共享资源。

该API没有任何参数，并返回SemaphoreHandle_t类型的变量。如果无法创建互斥量，则xSemaphoreCreateMutex()返回NULL。

1. SemaphoreHandle_t mutex_v;
   
2. mutex_v = xSemaphoreCreateMutex();

复制代码

2.  获取互斥量

当任务想要访问资源时，它将通过使用xSemaphoreTake()来获取互斥对象。它与二进制信号量相同。它还需要两个参数。

xSemaphore：将使用的互斥对象的名称，本例为Mutex_v。

xTicksToWait：这是任务在“阻止”状态下等待Mutex可用的最长时间。在本文中，我们将xTicksToWait设置为portMAX_DELAY，以使task_1在Blocked状态下无限期等待，直到mutex_v可用为止。

3.  提供互斥量

访问共享资源后，任务应返回互斥量，以便其他任务可以访问它。 xSemaphoreGive()用于将互斥量返回。

xSemaphoreGive()函数仅采用一个参数，即在给出的互斥量，本例中为mutex_v。

使用上述API，让我们使用Arduino IDE在FreeRTOS代码中实现Mutex。

互斥量代码说明

在这里，此部分的目标是使用串口监视器作为共享资源，并执行两个不同的任务来访问串口监视器以打印一些消息。

1.  头文件将保持与信号量相同。

1. #include <Arduino_FreeRTOS.h>
   
2. #include <semphr.h>

复制代码

2.声明一个SemaphoreHandle_t类型的变量来存储互斥量的值。

1. SemaphoreHandle_t mutex_v;

复制代码

3.在void setup()中，以9600波特率初始化串口监视器，并使用xTaskCreate()创建两个任务（Task1和Task2）。然后使用xSemaphoreCreateMutex()创建一个互斥量。创建一个具有相同优先级的任务，稍后再尝试使用任务。

1. void setup() {
   
2. Serial.begin(9600);
   
3. mutex_v = xSemaphoreCreateMutex();
   
4. if (mutex_v == NULL) {
   
5. Serial.println("Mutex can not be created");
   
6. }
   
7. xTaskCreate(Task1, "Task 1", 128, NULL, 1, NULL);
   
8. xTaskCreate(Task2, "Task 2", 128, NULL, 1, NULL);
   
9. }

复制代码

4.  现在，为Task1和Task2创建任务函数。在任务函数的while循环中，在串口监视器上打印消息之前，我们必须使用xSemaphoreTake()获取Mutex，然后打印消息，然后使用xSemaphoreGive()返回互斥量。

1. void Task1(void *pvParameters) {
   
2. while(1) {
   
3. xSemaphoreTake(mutex_v, portMAX_DELAY);
   
4. Serial.println("Hi from Task1");
   
5. xSemaphoreGive(mutex_v);
   
6. vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
   
7. }
   
8. }

复制代码

同样，以500ms的延迟实现Task2函数。

5.void loop()代码保持为空。

现在，将此代码上传到Arduino UNO并打开串行监视器。

您将看到消息正在从task1和task2打印。

要测试互斥量的工作，只需在任一任务中注释xSemaphoreGive(mutex_v);即可。您可以看到该程序停止在最后一条打印消息上。

以上就是使用Arduino在FreeRTOS中实现信号量和互斥量的方式。有关信号量和互斥量的更多信息，您可以访问FreeRTOS的官方文档。

代码

以下是本文使用的完整代码： main.rar (823 Bytes, 下载次数: 24)

2020-5-22 22:02 上传

点击文件名下载附件