FreeRTOS教程5 信號量

来源:https://www.cnblogs.com/lc-guo/p/18068376
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1、準備材料 正點原子stm32f407探索者開發板V2.4 STM32CubeMX軟體（Version 6.10.0） Keil µVision5 IDE（MDK-Arm） 野火DAP模擬器 XCOM V2.6串口助手 一個滑動變阻器 2、學習目標 本文主要學習 FreeRTOS 信號量的相關知識 ...


1、準備材料

正點原子stm32f407探索者開發板V2.4

STM32CubeMX軟體（Version 6.10.0）

Keil µVision5 IDE（MDK-Arm）

野火DAP模擬器

XCOM V2.6串口助手

一個滑動變阻器

2、學習目標

本文主要學習 FreeRTOS 信號量的相關知識，包括創建/刪除信號量、釋放信號量、獲取信號量等知識

3、前提知識

3.1、信號量概述

信號量是進程間用於通信的一種手段，其是基於隊列實現的，信號量更適用於進程間同步，信號量包括二值信號量（Binary Semaphores）和計數信號量（Counting Semaphores）

二值信號量就是只有一個項的隊列，該隊列不為空則為滿（所謂二值），二值信號量就像一個標誌，適和用於進程間同步的通信

舉個例子：ADC 的周期採集中斷負責採集完成後將採集到的 ADC 的值寫入數據緩存區中並且釋放信號量，總是嘗試獲取信號量的數據處理任務在 ADC 採集中斷釋放信號量之後成功獲取，然後退出阻塞狀態對寫入數據緩存區中採集到的 ADC 值進行處理，上述過程如下圖所示：（註釋1）

如下圖所示為使用二值信號量來同步任務和中斷的工作流程 （註釋2）

計數信號量就是有固定長度的隊列，隊列中每個單元都是一個標誌，其通常用於對多個共用資源的訪問進行控制

舉個例子：一家餐館有 4 張可供用餐的桌子，我們創建一個長度為 4 ，初值為 4 的計數信號量來表示當前可供用餐的桌子數量，當有客人進來用餐時會 “獲取” 一張餐桌，這時用來表示可供用餐的桌子數量的計數信號量就會減少一個，當有客人離開時會 “釋放” 一張餐桌，這時用來表示可供用餐的桌子數量的計數信號量就會增加一個，上述過程如下圖所示：

如下圖所示為計數信號量的工作流程

3.2、創建信號量

信號量在使用之前也必須先創建，信號量被創建完之後是無效的，也即為 0 ，而由於信號量分為二值信號量和計數信號量兩種，因此FreeRTOS也提供了不同的API函數，具體如下所述

/**
  * @brief  動態分配記憶體創建二值信號量函數
  * @param  xSemaphore：創建的二值信號量句柄
  * @retval None
  */
void vSemaphoreCreateBinary(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

/**
  * @brief  靜態分配記憶體創建二值信號量函數
  * @param  pxSemaphoreBuffer：指向一個StaticSemaphore_t類型的變數，該變數將用於保存信號量的狀態
  * @retval 返回創建成功的信號量句柄，如果返回NULL則表示因為pxSemaphoreBuffer為空無法創建
  */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic(
									StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);

/**
  * @brief  動態分配記憶體創建計數信號量函數
  * @param  uxMaxCount：可以達到的最大計數值
  * @param  uxInitialCount：創建信號量時分配給信號量的計數值
  * @retval 返回創建成功的信號量句柄，如果返回NULL則表示記憶體不足無法創建
  */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, 
										   UBaseType_t uxInitialCount);

/**
  * @brief  靜態分配記憶體創建計數信號量函數
  * @param  uxMaxCount：可以達到的最大計數值
  * @param  uxInitialCount：創建信號量時分配給信號量的計數值
  * @param  pxSempahoreBuffer：指向StaticSemaphore_t類型的變數，該變數然後用於保存信號量的數據結構體
  * @retval 返回創建成功的信號量句柄，如果返回NULL則表示因為pxSemaphoreBuffer為空無法創建
  */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic(
									UBaseType_t uxMaxCount,
									UBaseType_t uxInitialCount,
									StaticSemaphore_t pxSempahoreBuffer);

3.3、釋放信號量

以下兩個函數不僅僅可以用於釋放二值信號量，還可以用於釋放計數信號量和互斥量，具體如下所示

/**
  * @brief  釋放信號量函數
  * @param  xSemaphore：要釋放的信號量的句柄
  * @retval 如果信號量釋放成功，則返回pdTRUE；如果發生錯誤，則返回pdFALSE
  */
BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

/**
  * @brief  釋放信號量的中斷安全版本函數
  * @param  pxHigherPriorityTaskWoken：用於通知應用程式編寫者是否應該執行上下文切換
  * @retval 如果成功給出信號量，則返回pdTRUE，否則errQUEUE_FULL
  */
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, 
								 BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

3.4、獲取信號量

以下兩個函數不僅僅可以用於獲取二值信號量，還可以用於獲取計數信號量和互斥量，具體如下所示

/**
  * @brief  獲取信號量函數
  * @param  xSemaphore：正在獲取的信號量的句柄
  * @param  xTicksToWait：等待信號量變為可用的時間
  * @retval 成功獲得信號量則返回pdTRUE；如果xTicksToWait過期，信號量不可用，則返回pdFALSE
  */
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait);
/**
  * @brief  獲取信號量的中斷安全版本函數
  * @param  xSemaphore：正在獲取的信號量的句柄
  * @param  pxHigherPriorityTaskWoken：用於通知應用程式編寫者是否應該執行上下文切換
  * @retval 成功獲取則返回pdTRUE，未成功獲取則返回pdFALSE
  */
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, 
								 signed BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

3.5、刪除信號量

/**
  * @brief  刪除信號量，包括互斥鎖型信號量和遞歸信號量
  * @param  xSemaphore：被刪除的信號量的句柄
  * @retval None
  */
void vSemaphoreDelete(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

3.6、工具函數

/**
  * @brief  獲取信號量計數
  * @param  xSemaphore：正在查詢的信號量的句柄
  * @retval 如果信號量是計數信號量，則返回信號量的當前計數值。如果信號量是二進位信號量，則當信號量可用時，返回1，當信號量不可用時，返回 0
  */
UBaseType_t uxSemaphoreGetCount(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

4、實驗一：二值信號量的應用

4.1、實驗目標

  1. 創建一個二值信號量 BinarySem_ADC
  2. 配置 ADC1 IN5 在 500ms 的定時器驅動下周期採集 ADC 值，採集完成後將採集值寫入緩存數組，然後釋放二值信號量 BinarySem_ADC
  3. 創建一個任務 TASK_ADC，該任務總是嘗試獲取二值信號量 BinarySem_ADC，獲取成功之後，將寫入緩存數組的 ADC 採集值進行轉換，然後通過 USART1 輸出給用戶

4.2、CubeMX相關配置

首先讀者應按照 "FreeRTOS教程1 基礎知識" 章節配置一個可以正常編譯通過的 FreeRTOS 空工程，然後在此空工程的基礎上增加本實驗所提出的要求

本實驗需要初始化 USART1 作為輸出信息渠道，具體配置步驟請閱讀“STM32CubeMX教程9 USART/UART 非同步通信”，如下圖所示

本實驗需要設置 TIM3 作為 ADC1 IN5 觸發源的單通道 ADC 採集，採集周期為 500ms ，因此需要配置 ADC1 和 TIM3，感興趣讀者可以閱讀”STM32CubeMX教程13 ADC - 單通道轉換“實驗，如下圖所示

由於我們將要在 ADC 採集完成中斷中使用 FreeRTOS 的釋放二值信號量的函數，因此需要將其優先順序設置在 15~5 之間，在這裡設置為 7，具體如下圖所示

單擊 Middleware and Software Packs/FREERTOS，在 Configuration 中單擊 Tasks and Queues 選項卡雙擊預設任務修改其參數，具體如下圖所示

然後在 Configuration 中單擊 Timers and Semaphores ，在 Binary Semaphores 中單擊 Add 按鈕新增加一個名為 BinarySem_ADC 的二值信號量，具體如下圖所示

配置 Clock Configuration 和 Project Manager 兩個頁面，接下來直接單擊 GENERATE CODE 按鈕生成工程代碼即可

4.3、添加其他必要代碼

按照 “STM32CubeMX教程9 USART/UART 非同步通信” 實驗 “6、串口printf重定向” 小節增加串口 printf 重定向代碼，具體不再贅述

首先應該在 freertos.c 中添加信號量的頭文件，如下所述

/*freertos.c中添加頭文件*/
#include "semphr.h"

然後在該文件中重新實現 ADC 採集完成中斷回調函數，在該函數中獲取採集完成的 ADC 值，將其保存在全局變數 adc_value 中，然後釋放二值信號量 BinarySem_ADC ，如下所述

/*轉換完成中斷回調*/
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    /*定時器中斷啟動單通道轉換*/
    if(hadc->Instance == ADC1)
    {
        adc_value = HAL_ADC_GetValue(hadc);
		BaseType_t highTaskWoken = pdFALSE;
		if(BinarySem_ADCHandle != NULL)
		{
			xSemaphoreGiveFromISR(BinarySem_ADCHandle, &highTaskWoken);
			portYIELD_FROM_ISR(highTaskWoken);
		}
    }
}

接下來仍然在該文件中實現任務 TASK_ADC 的函數體內容，該任務函數總是嘗試獲取二值信號量，一旦獲取成功表示 ADC 轉換完成，就將 ADC 轉換完成的值變為電壓值，然後通過 USART1 輸出給用戶顯示，如下所述

/*ADC任務函數*/
void TASK_ADC(void *argument)
{
	/* USER CODE BEGIN TASK_ADC */
	/* Infinite loop */
	for(;;)
	{
		if(xSemaphoreTake(BinarySem_ADCHandle, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
		{
			uint32_t Volt = (3300 * adc_value)>>12;
			printf("val:%d, Volt:%d\r\n", adc_value, Volt);
		}
	}
	/* USER CODE END TASK_ADC */
}

最後在 main.c 文件主函數 main() 中以中斷方式啟動 ADC 轉換即可，如下所述

//以中斷方式啟動ADC1
HAL_ADC_Start_IT(&hadc1);
//啟動ADC1觸發源定時器TIM3
HAL_TIM_Base_Start(&htim3);

4.4、燒錄驗證

燒錄程式，打開串口助手，可以發現每隔一段時間就會輸出當前 ADC1 IN5 通道採集到的 ADC 的值，將其接入一個滑動變阻器，當滑動變阻器從一端滑動到另一端時，串口輸出的採集值也在從 0 逐漸變為最大值 4095 ，整個過程串口輸出信息如下圖所示

5、實驗二：計數信號量的應用

5.1、實驗目標

  1. 創建一個計數信號量 CountingSem_Tables ，設置最大值為 5 ，初始值設為 5 ，表示飯店內初始有 5 張桌子
  2. 啟動 RTC 周期喚醒中斷，喚醒周期為 3s ，在 RTC 喚醒中斷中釋放信號量，模擬有客人離開飯店
  3. 創建任務 TASK_KEY2 ，當按鍵 KEY2 按下時嘗試獲取信號量，模擬客人進店，同時調用獲取信號量計數查詢函數，查詢當前可用餐桌個數

5.2、CubeMX相關配置

首先讀者應按照 "FreeRTOS教程1 基礎知識" 章節配置一個可以正常編譯通過的 FreeRTOS 空工程，然後在此空工程的基礎上增加本實驗所提出的要求

本實驗需要初始化開發板上 KEY2 用戶按鍵做普通輸入，具體配置步驟請閱讀 “STM32CubeMX教程3 GPIO輸入 - 按鍵響應” ，註意雖開發板不同但配置原理一致，如下圖所示

本實驗需要初始化 USART1 作為輸出信息渠道，具體配置步驟請閱讀 “STM32CubeMX教程9 USART/UART 非同步通信” ，如下圖所示

本實驗需要配置 RTC 周期喚醒中斷，具體配置步驟和參數介紹讀者可閱讀”STM32CubeMX教程10 RTC 實時時鐘 - 周期喚醒、鬧鐘A/B事件和備份寄存器“實驗，此處不再贅述，這裡參數、時鐘配置如下圖所示

由於需要在 RTC 周期喚醒中斷中使用 FreeRTOS 的 API 函數，因此 RTC 周期喚醒中斷的優先順序應該設置在 15~5 之間，此處設置為 7 ，具體如下圖所示

單擊 Middleware and Software Packs/FREERTOS，在 Configuration 中單擊 Tasks and Queues 選項卡，雙擊預設任務修改其參數，具體如下圖所示

然後在 Configuration 中單擊 Timers and Semaphores 選項卡，在最下方的 Counting Semaphores 中單擊右下角的 Add 按鈕增加一個計數信號量，具體如下圖所示

配置 Clock Configuration 和 Project Manager 兩個頁面，接下來直接單擊 GENERATE CODE 按鈕生成工程代碼即可

5.3、添加其他必要代碼

按照 “STM32CubeMX教程9 USART/UART 非同步通信” 實驗 “6、串口printf重定向” 小節增加串口 printf 重定向代碼，具體不再贅述

首先應該在 freertos.c 中添加信號量的頭文件，如下所述

/*freertos.c中添加頭文件*/
#include "stdio.h"
#include "semphr.h"

然後在該文件中重新實現周期喚醒回調函數，該函數用於周期釋放計數信號量，具體如下所示

/*周期喚醒回調函數*/
void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
	if(CountingSem_TablesHandle != NULL)
	{
		BaseType_t highTaskWoken = pdFALSE;
		//釋放計數信號量
		xSemaphoreGiveFromISR(CountingSem_TablesHandle, &highTaskWoken);
		portYIELD_FROM_ISR(highTaskWoken);
	}
}

最後仍然在該文件中實現任務 TASK_KEY2 ，該任務負責當按鍵 KEY2 按下時嘗試獲取計數信號量，當無任何按鍵按下時不斷輸出當前計數信號量可用數量，具體如下所示

void TASK_KEY2(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN TASK_KEY2 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
	if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port,KEY2_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
	{
		//獲取計數信號量
		BaseType_t result = xSemaphoreTake(CountingSem_TablesHandle, pdMS_TO_TICKS(100));
		if(result == pdTRUE) printf("Check In OK\r\n");
		else printf("Check In Fail\r\n");
		//按鍵消抖
		osDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
	}
	else
	{
		UBaseType_t AvailableTables = uxSemaphoreGetCount(CountingSem_TablesHandle);
		printf("Now AvailableTables is : %d\r\n", (uint16_t)AvailableTables);
		osDelay(pdMS_TO_TICKS(10));	
	}
  }
  /* USER CODE END TASK_KEY2 */
}

5.4、燒錄驗證

燒錄程式，打開串口助手，發現不斷輸出當前可用計數信號量數量，當按住按鍵 KEY2 不鬆開，連續模擬客人進店，可以發現在模擬 3 個客人進店之後，剩餘可用計數信號量的數量變為了 2 個，然後每隔一段時間計算信號量的數量慢慢增加直到最大值 5 ，接著按住按鍵 KEY2 不鬆開，連續模擬 5 個客人進店，當 5 個客人進店之後，再次按下 KEY2 按鍵可以發現串口輸出 ”Check In Fail“，表示當前已無剩餘可用計數信號量，上述整個過程如下圖所示

6、註釋詳解

註釋1：圖片來源於 STM32Cube高效開發教程（高級篇） 第五章

註釋2：圖片來源於 Mastering_the_FreeRTOS_Real_Time_Kernel-A_Hands-On_Tutorial_Guide.pdf

參考資料

STM32Cube高效開發教程（基礎篇）

Mastering_the_FreeRTOS_Real_Time_Kernel-A_Hands-On_Tutorial_Guide.pdf


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