FreeRTOS 二值信号量,互斥信号量,递归互斥信号量

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本章节讲解 FreeRTOS 任务间的同步和资源共享机制,二值信号量。 二值信号量是计数信号量的一种特殊形式,即共享资源为 1 的情况。

FreeRTOS 分别提供了二值信号量和计数信号量,其中二值信号量可以理解成计数
信号量的一种特殊形式,即初始化为仅有一个资源可以使用,只不过 FreeRTOS 对这两种都提供了 API
函数,而像 RTX,uCOS-II 和 III 是仅提供了一个信号量功能,设置不同的初始值就可以分别实现二值信
号量和计数信号量。 当然,FreeRTOS 使用计数信号量也能够实现同样的效果。 另外,为什么叫二值信号
量呢?因为信号量资源被获取了,信号量值就是 0,信号量资源被释放,信号量值就是 1,把这种只有 0
和 1 两种情况的信号量称之为二值信号量

函数 xSemaphoreCreateBinary
函数原型:
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void)
函数描述:
函数 xSemaphoreCreateBinary 用于创建二值信号量。
返回值,如果创建成功会返回二值信号量的句柄,如果由于 FreeRTOSConfig.h 文件中 heap 大小不
足,无法为此二值信号量提供所需的空间会返回 NULL。

《FreeRTOS 二值信号量,互斥信号量,递归互斥信号量》

FreeRTOS 重要的资源共享机制—互斥信号量(Mutex,即 Mutual Exclusion 的缩写)。
注意,建议初学者学习完前两个信号量后再学习本章节的互斥信号量

互斥信号量的主要作用是对资源实现互斥访问,使用二值信号量也可以实现互斥访问的功能,不过互
斥信号量与二值信号量有区别。 下面我们先举一个通过二值信号量实现资源独享,即互斥访问的例子,让
大家有一个形象的认识,进而引出要讲解的互斥信号量。
运行条件:
让两个任务 Task1 和 Task2 都运行串口打印函数 printf,这里我们就通过二值信号量实现对函数
printf 的互斥访问。 如果不对函数 printf 进行互斥访问,串口打印容易出现乱码。
用计数信号量实现二值信号量只需将计数信号量的初始值设置为 1 即可。
代码实现:

《FreeRTOS 二值信号量,互斥信号量,递归互斥信号量》

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有了上面二值信号量的认识之后,互斥信号量与二值信号量又有什么区别呢?互斥信号量可以防止优
先级翻转,而二值信号量不支持,下面我们就讲解一下优先级翻转问题。
 

《FreeRTOS 二值信号量,互斥信号量,递归互斥信号量》

 

运行条件:
创建 3 个任务 Task1,Task2 和 Task3,优先级分别为 3,2,1。 也就是 Task1 的优先级最高。
任务 Task1 和 Task3 互斥访问串口打印 printf,采用二值信号实现互斥访问。
起初 Task3 通过二值信号量正在调用 printf,被任务 Task1 抢占,开始执行任务 Task1,也就是上图的起始位置。 
运行过程描述如下:
任务 Task1 运行的过程需要调用函数 printf,发现任务 Task3 正在调用,任务 Task1 会被挂起,等
待 Task3 释放函数 printf。
在调度器的作用下,任务 Task3 得到运行,Task3 运行的过程中,由于任务 Task2 就绪,抢占了 Task3
的运行。 优先级翻转问题就出在这里了,从任务执行的现象上看,任务 Task1 需要等待 Task2 执行
完毕才有机会得到执行,这个与抢占式调度正好反了,正常情况下应该是高优先级任务抢占低优先级
任务的执行,这里成了高优先级任务 Task1 等待低优先级任务 Task2 完成。 所以这种情况被称之为
优先级翻转问题
任务 Task2 执行完毕后,任务 Task3 恢复执行,Task3 释放互斥资源后,任务 Task1 得到互斥资源,
从而可以继续执行。
FreeRTOS 互斥信号量的实现
FreeRTOS 互斥信号量是怎么实现的呢?其实相对于二值信号量,互斥信号量就是解决了一下优先级
翻转的问题。 下面我们通过如下的框图来说明一下 FreeRTOS 互斥信号量的实现,让大家有一个形象的认识。《FreeRTOS 二值信号量,互斥信号量,递归互斥信号量》

运行条件:
创建 2 个任务 Task1 和 Task2,优先级分别为 1 和 3,也就是任务 Task2 的优先级最高。
任务 Task1 和 Task2 互斥访问串口打印 printf。
使用 FreeRTOS 的互斥信号量实现串口打印 printf 的互斥访问。
运行过程描述如下:
低优先级任务 Task1 执行过程中先获得互斥资源 printf 的执行。 此时任务 Task2 抢占了任务 Task1
的执行,任务 Task1 被挂起。 任务 Task2 得到执行。
任务 Task2 执行过程中也需要调用互斥资源,但是发现任务 Task1 正在访问,此时任务 Task1 的优
先级会被提升到与 Task2 同一个优先级,也就是优先级 3,这个就是所谓的优先级继承(Priority
inheritance),这样就有效地防止了优先级翻转问题。 任务 Task2 被挂起,任务 Task1 有新的优先
级继续执行。
任务 Task1 执行完毕并释放互斥资源后,优先级恢复到原来的水平。 由于互斥资源可以使用,任务
Task2 获得互斥资源后开始执行。
FreeRTOS 中断方式互斥信号量的实现
互斥信号量仅支持用在 FreeRTOS 的任务中,中断函数中不可使用。
互斥信号量 API 函数
函数 xSemaphoreCreateMutex
函数原型:
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void )
函数描述:
函数 xSemaphoreCreateMutex 用于创建互斥信号量。
返回值,如果创建成功会返回互斥信号量的句柄,如果由于 FreeRTOSConfig.h 文件中 heap 大小不
足,无法为此互斥信号量提供所需的空间会返回 NULL。
使用这个函数要注意以下问题:
1. 此函数是基于函数 xQueueCreateMutex 实现的:
#define xSemaphoreCreateMutex() xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_MUTEX )
函数 xQueueCreateMutex 的实现是基于消息队列函数 xQueueGenericCreate 实现的。
2. 使用此函数要在 FreeRTOSConfig.h 文件中使能宏定义:
#define configUSE_MUTEXES 1

互斥信号量, xSemaphoreTake 和 xSemaphoreGive 一定要成对的调用 

应用举例:

《FreeRTOS 二值信号量,互斥信号量,递归互斥信号量》

 


《FreeRTOS 二值信号量,互斥信号量,递归互斥信号量》

 经过测试,互斥信号量是可以被其他任务释放的,但是我们最好不要这么做,因为官方推荐的就是在同一个任务中接收和释放。如果在其他任务释放,不仅仅会让代码整体逻辑变得复杂,还会给使用和维护这套API的人带来困难。遵守规范,总是好的。

裸机编程的时候,我经常想一个问题,就是怎么做到当一个标志位触发的时候,立即执行某个操作,如同实现标志中断一样,在os编程之后,我们就可以让一个优先级最高任务一直等待某个信号量,如果获得信号量,就执行某个操作,实现类似标志位中断的作用(当然,要想正真做到中断效果,那就需要屏蔽所有可屏蔽中断,而临界区就可以做到)。

再说一下递归互斥信号量:递归互斥信号量,其实就是互斥信号量里面嵌套互斥信号量

eg:

static void vTaskMsgPro(void *pvParameters)
{
    TickType_t xLastWakeTime;
    const TickType_t xFrequency = 1500;

    /* 获取当前的系统时间 */
    xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
    
    while(1)
    {
        /* 递归互斥信号量,其实就是互斥信号量里面嵌套互斥信号量 */
        xSemaphoreTakeRecursive(xRecursiveMutex, portMAX_DELAY);
        {
            /* -------------------------------------- */
               //假如这里是被保护的资源,第1层被保护的资源,用户可以在这里添加被保护资源
            /* ---------------------------------------------------------------------------- */
            printf("任务vTaskMsgPro在运行,第1层被保护的资源,用户可以在这里添加被保护资源\r\n");
            
            /* 第1层被保护的资源里面嵌套被保护的资源 */
            xSemaphoreTakeRecursive(xRecursiveMutex, portMAX_DELAY);
            {
                /* ------------------------------------------------------------------------ */
                //假如这里是被保护的资源,第2层被保护的资源,用户可以在这里添加被保护资源
                /* ------------------------------------------------------------------------ */
                printf("任务vTaskMsgPro在运行,第2层被保护的资源,用户可以在这里添加被保护资源\r\n");
                
                /* 第2层被保护的资源里面嵌套被保护的资源 */
                xSemaphoreTakeRecursive(xRecursiveMutex, portMAX_DELAY);
                {
                    printf("任务vTaskMsgPro在运行,第3层被保护的资源,用户可以在这里添加被保护资源\r\n");
                    bsp_LedToggle(1);
                    bsp_LedToggle(4);
                }
                xSemaphoreGiveRecursive(xRecursiveMutex);
            }
            xSemaphoreGiveRecursive(xRecursiveMutex);    
        }
        xSemaphoreGiveRecursive(xRecursiveMutex);
        
        /* vTaskDelayUntil是绝对延迟,vTaskDelay是相对延迟。*/
        vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);
    }
}

 

可以前面的那个官方文档那样用if判断传递共享量:

《FreeRTOS 二值信号量,互斥信号量,递归互斥信号量》

也可以用我们递归互斥信号量里面的portMAX_DELAY指定永久等待,即xSemaphoreTakeRecursive返回的不是pdTRUE时,会一直等待信号量,直到有信号量来才执行后面的语句。

 

    原文作者:weixin_34357267
    原文地址: https://blog.csdn.net/weixin_34357267/article/details/85918230
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