uCOS-II之任務間通信、軟件定時器補充

ID:763998 · 發表于 2020-6-29 09:19

任務間通信

5.4.1 信號量

信號量是用來保護共享資源用的，表示共享資源的個數。共享資源被占用一個，信號量的指會減1，共享資源被釋放一個，信號量的值會加1。

（理解：USB口的占用與釋放，假設一個電腦有3個USB，插入一個USB設備，電腦的USB資源會減少1，此時電腦的USB資源還有2；拔出USB設備，電腦的USB資源會增加1，此時電腦的USB資源有3個USB）

其實信號量的本質就是一個操作系統計數器（0~65535），實際用于實現任務間同步執行。

需要掌握的函數如下：

實驗代碼如下：

#include "main.h"
#include "includes.h"
/** 任務0 **/
#define TASK0_PRI 8 //任務優先級
#define TASK0_STK_SIZE 256 //任務棧大小
OS_STK stack0[TASK0_STK_SIZE]; //數組作為任務堆棧
void Task0 (void *p_arg); //函數聲明
/** 任務1 **/
#define TASK1_PRI 9 //任務優先級
#define TASK1_STK_SIZE 256 //任務棧大小
OS_STK stack1[TASK1_STK_SIZE]; //數組作為任務堆棧
void Task1 (void *p_arg); //函數聲明
/** 任務2 **/
#define TASK2_PRI 10 //任務優先級
#define TASK2_STK_SIZE 256 //任務棧大小
OS_STK stack2[TASK2_STK_SIZE]; //數組作為任務堆棧
void Task2 (void *p_arg); //函數聲明
OS_EVENT *sem;//全局變量，創建信號量、等待信號量、發布信號量都需要用到該指針。
int main(void)
{
OSSysTickInit();//滴答定時器初始化
USART1_Init(115200);//初始化串口，用于調試
OSInit(); //操作系統初始化
sem=OSSemCreate(2);//初始化--默認創建2個信號量
OSTaskCreate (Task0,NULL,&stack0[TASK0_STK_SIZE-1],TASK0_PRI);//創建一個任務，任務名：Task0
OSTaskCreate (Task1,NULL,&stack1[TASK1_STK_SIZE-1],TASK1_PRI);//創建一個任務，任務名：Task1
OSTaskCreate (Task2,NULL,&stack2[TASK2_STK_SIZE-1],TASK2_PRI);//創建一個任務，任務名：Task2
OSStart(); //啟動操作系統
}
void Task0 (void *p_arg) //實現任務Task0
{
u8 k=0;//給個默認值0，表示無鍵狀態
KEY_Init();//按鍵初始化，放在對應任務中
while(1)
{
k=Key_Scanf(0);//按鍵掃描
switch (k)
{
case KEY_ONE: //按鍵1按下，發布一個信號量
OSSemPost(sem);//發送信號量
break;
default:
break;
}
OSTimeDly(1);//高優先級釋放CPU，延遲不可太長，延時太長會影響按鍵的靈敏度。
}
}
void Task1 (void *p_arg) //實現任務Task1
{
while(1)
{
//等待一個信號量
OSSemPend (sem,//信號量
0,//超時時間
0);//錯誤類型--沒有錯誤
printf("任務1\r\n");
OSTimeDly(100);//5ms一次滴答，100*5=500ms，打印一次
}
}
void Task2 (void *p_arg) //實現任務Task2
{
while(1)
{
//等待一個信號量
OSSemPend (sem,//信號量
0,//超時時間
0);//錯誤類型--沒有錯誤
printf("任務2\r\n");
OSTimeDly(100);//5ms一次滴答，100*5=500ms，打印一次
}
}

復制代碼

因為創建了兩個信號量，按下復位按鍵，同時打印出任務1、任務2。

按下按鍵1，打印出任務1，因為任務1的優先級比較高。

快速按下按鍵1，能打印出任務1，和任務2，因為他們都在等信號量。

5.4.2 互斥信號量

用來保護共享資源，但是這個共享資源只有一個。兩個任務同時操作一個硬件，這時候需要加互斥信號量保護。

（理解：電話亭的使用，假設電話亭里只有一個電話，有3個人想打電話，需要排隊，還需要等待，等待電話亭里面沒有人，排在前面的人就能進入電話亭打電話了）

其實互斥信號量的本質就是一個操作系統計數器(0-1)。

注意：互斥信號量中需要有一個空閑的優先級作為優先級反轉用，該優先級必須比所有能夠獲得該互斥信號量的優先級還高。

理解：假設能獲得該互斥信號量的所有任務的優先級分別為:4、10、11、13,則該空閑優先級的取值（0~3）；在如，假設能獲得該互斥信號量的所有任務的優先級分別為:8、10、11、13,則該空閑優先級的取值（0~7）。

需要掌握的函數如下：

實驗代碼如下：

#include "main.h"
#include "includes.h"
/** 任務0 **/
#define TASK0_PRI 8 //任務優先級
#define TASK0_STK_SIZE 256 //任務棧大小
OS_STK stack0[TASK0_STK_SIZE]; //數組作為任務堆棧
void Task0 (void *p_arg); //函數聲明
/** 任務1 **/
#define TASK1_PRI 9 //任務優先級
#define TASK1_STK_SIZE 256 //任務棧大小
OS_STK stack1[TASK1_STK_SIZE]; //數組作為任務堆棧
void Task1 (void *p_arg); //函數聲明
OS_EVENT *mutex;//全局變量，創建信號量、等待信號量、發布信號量都需要用到該指針。
int main(void)
{
OSSysTickInit();//滴答定時器初始化
USART1_Init(115200);//初始化串口，用于調試
OSInit(); //操作系統初始化
//創建互斥信號量
mutex=OSMutexCreate (5,//空閑優先級
0);//錯誤類型
OSTaskCreate (Task0,NULL,&stack0[TASK0_STK_SIZE-1],TASK0_PRI);//創建一個任務，任務名：Task0
OSTaskCreate (Task1,NULL,&stack1[TASK1_STK_SIZE-1],TASK1_PRI);//創建一個任務，任務名：Task1
OSStart(); //啟動操作系統
}
void Task0 (void *p_arg) //實現任務Task0
{
while(1)
{
//獲取互斥信號量
OSMutexPend (mutex,//互斥信號量
0,//超時時間
0);//錯誤類型
for(int i=0;i<5;i++)
{
printf("任務0--%d\r\n",i);//
OSTimeDly(100);//
}
//釋放互斥信號量
OSMutexPost (mutex);
}
}
void Task1 (void *p_arg) //實現任務Task1
{
while(1)
{
//獲取互斥信號量
OSMutexPend (mutex,//互斥信號量
0,//超時時間
0);//錯誤類型
for(int i=0;i<5;i++)
{
printf("任務1--%d\r\n",i);//
OSTimeDly(100);//
}
//釋放互斥信號量
OSMutexPost (mutex);
}
}

復制代碼

燒錄代碼，結果如下圖：

實驗表明，假設多個任務在訪問同一資源，只有等正在訪問的任務使用完并釋放資源，下一個任務才能訪問使用。

假設不加互斥信號量進行互斥訪問，代碼如下，

結果如下：

5.4.3 消息郵箱

用于任務與任務之間交換數據（任務與任務之間的通信）。消息郵箱只能存放一則消息，消息的內容長短不限制。

需要掌握的函數：

實驗代碼：

#include "main.h"
#include "includes.h"
/** 任務0 **/
#define TASK0_PRI 8 //任務優先級
#define TASK0_STK_SIZE 256 //任務棧大小
OS_STK stack0[TASK0_STK_SIZE]; //數組作為任務堆棧
void SendTask (void *p_arg); //函數聲明
/** 任務1 **/
#define TASK1_PRI 9 //任務優先級
#define TASK1_STK_SIZE 256 //任務棧大小
OS_STK stack1[TASK1_STK_SIZE]; //數組作為任務堆棧
void ReceiveTask (void *p_arg); //函數聲明
OS_EVENT *mbox;//全局變量，創建郵箱、發送消息、接收消息，都需要用到該指針。
int main(void)
{
OSSysTickInit();//滴答定時器初始化
USART1_Init(115200);//初始化串口，用于調試
OSInit(); //操作系統初始化
//創建一個郵箱
mbox=OSMboxCreate (NULL);//初始化消息的地址：NULL
OSTaskCreate (SendTask,NULL,&stack0[TASK0_STK_SIZE-1],TASK0_PRI);//創建發送任務
OSTaskCreate (ReceiveTask,NULL,&stack1[TASK1_STK_SIZE-1],TASK1_PRI);//創建接收任務
OSStart(); //啟動操作系統
}
void SendTask (void *p_arg) //發送任務
{
u8 k=0;//給個默認值0，表示無鍵狀態
KEY_Init();//按鍵初始化，放在對應任務中
while(1)
{
k=Key_Scanf(0);//按鍵掃描
switch (k)
{
case KEY_ONE: //按鍵1按下，發布一則消息
OSMboxPost (mbox,//郵箱
"hello 51黑");//郵箱內容
break;
case KEY_TWO: //按鍵2按下，發布一則消息
OSMboxPost (mbox,//郵箱
"hello world");//郵箱內容
OSMboxPost (mbox,//郵箱
"hello xixi");//郵箱內容
OSMboxPost (mbox,//郵箱
"hello haha");//郵箱內容
break;
default:
break;
}
OSTimeDly(1);//釋放CPU使用權
}
}
void ReceiveTask (void *p_arg) //接收任務
{
u8 *str;
while(1)
{
//接收一條消息
str=OSMboxPend (mbox,//郵箱地址
0,//死等
0);//發送成功
printf("接收到的消息：%s\r\n",str);//開始默認打印三次，因為默認開始創建3個信號量。
OSTimeDly(1);//釋放CPU使用權
}
}

復制代碼

實驗結果如下：

按下按鍵1：

按下按鍵2：

原因是接收方接收不過來了，造成了數據丟失。這時需要引入消息隊列。

5.4.4 消息隊列

消息郵箱只能發送一則消息，獲取消息的地方如果處理比較慢就會丟失消息。消息隊列能存儲一隊消息，能很好的避免接收方處理能力弱而丟失消息的問題。隊列是一種數據結構，遵循先進先出原則。

需要掌握的函數：

實驗代碼：

#include "main.h"
#include "includes.h"
/** 任務0 **/
#define TASK0_PRI 8 //任務優先級
#define TASK0_STK_SIZE 256 //任務棧大小
OS_STK stack0[TASK0_STK_SIZE]; //數組作為任務堆棧
void SendTask (void *p_arg); //函數聲明
/** 任務1 **/
#define TASK1_PRI 9 //任務優先級
#define TASK1_STK_SIZE 256 //任務棧大小
OS_STK stack1[TASK1_STK_SIZE]; //數組作為任務堆棧
void ReceiveTask (void *p_arg); //函數聲明
OS_EVENT *q;//全局變量，創建隊列、發送消息、接收消息，都需要用到該指針。
void *queue[10];//隊列
int main(void)
{
OSSysTickInit();//滴答定時器初始化
USART1_Init(115200);//初始化串口，用于調試
OSInit(); //操作系統初始化
//創建一個隊列
q=OSQCreate(queue,//隊列
10);//隊列的大小
OSTaskCreate (SendTask,NULL,&stack0[TASK0_STK_SIZE-1],TASK0_PRI);//創建發送任務
OSTaskCreate (ReceiveTask,NULL,&stack1[TASK1_STK_SIZE-1],TASK1_PRI);//創建接收任務
OSStart(); //啟動操作系統
}
void SendTask (void *p_arg) //發送任務
{
u8 k=0;//給個默認值0，表示無鍵狀態
KEY_Init();//按鍵初始化，放在對應任務中
while(1)
{
k=Key_Scanf(0);//按鍵掃描
switch (k)
{
case KEY_ONE: //按鍵1按下，發布一則消息
OSQPost (q,//隊列地址
"lele");//需要發送的內容
OSQPost (q,//隊列地址
"學習");//需要發送的內容
OSQPost (q,//隊列地址
"不可能");//需要發送的內容
break;
case KEY_TWO: //按鍵2按下，發布一則消息
OSQPost (q,//隊列地址
"哈哈");//需要發送的內容
break;
default:
break;
}
OSTimeDly(1);//釋放CPU使用權
}
}
void ReceiveTask (void *p_arg) //接收任務
{
char *strs;
while(1)
{
//接收一條消息
strs=OSQPend(q,//隊列
0,//死等
0);//錯誤類型
printf("接收到的消息：%s\r\n",strs);//開始默認打印三次，因為默認開始創建3個信號量。
OSTimeDly(1);//釋放CPU使用權
}
}

復制代碼

實驗結果如下：

發送三條消息，接收到三條消息，沒有數據丟失。

5.4.5 補充

信號量：就理解成有多個電話的電話亭，這些電話是共享資源，當有很多人使用時，需要排隊（優先級），需要等待（等待信號量），當電話亭的電話空閑時（有信號量），就可以讓排在前面的人使用，依次使用。

互斥信號量：和信號量基本一致，理解成只用一個電話的電話亭，多個用戶要互斥使用這個電話。

消息郵箱：發送一條消息。如果消息發送太快，接收方接收不過來，會造成數據丟失。

消息隊列：發送多條消息。實現原理是把多條消息存放在隊列中。

最重要的最重要的是：

概念的理解，領會
代碼的實現、代碼的流程
多實踐與思考

5.5 其他補充

5.5.1 延時函數

這里的延時與STM32的延遲有不同的含義，對于STM32F407，系統時鐘為21M，即21 000 000 次脈沖為1秒鐘=21 000 000個滴答為1秒鐘，UCOS的延時規定，200個脈沖為1秒鐘=200個滴答為1秒鐘，所以UCOS的一個滴答為5ms。

常用第一個函數，第二函數用來延時，會有點誤差，因為任務調度會消耗一點時間。

為什么使用第一個函數，能發生任務調度？看代碼如下：

因為函數的實現中有任務調度函數。

實際的任務調度代碼源頭在哪？進入看看

在點擊進入發現。進不了了。實際這個函數由匯編代碼實現

5.5.2 軟件定時器

實現UCOS軟件定時器需要注意兩點：

打開定時器代碼，會發現創建定時器代碼都是灰色，需要修改一個宏

第二，定義一個優先級，編譯你就會發現這個優先級了，注意優先級不能設置跟其他任務的有效一樣。

編寫代碼驗證，編寫如下代碼：

#include "main.h"
   #include "includes.h"


   OS_TMR  *tmr;//定時器。

   void MyCallback (OS_TMR *ptmr, void *p_arg);//回調函數

   int main(void)
{
            OSSysTickInit();//滴答定時器初始化
            USART1_Init(115200);//初始化串口，用于調試

            OSInit();                            //操作系統初始化
            //創建定時器
            tmr=OSTmrCreate (50,//第一次使用，規定10個滴答為1秒鐘--所以第一次定時5秒鐘
                  10,//第二次以后使用--定時1秒鐘
                  OS_TMR_OPT_PERIODIC,//循環模式
                  (void *)MyCallback,//回調函數
                  0,//回調函數參數
                  0,//定時器名字
                  0);//錯誤類型

            //啟動定時器
            OSTmrStart (tmr,//要啟動的定時器
               0);//錯誤類型--成功

            OSStart();//啟動操作系統
}

void MyCallback (OS_TMR *ptmr, void *p_arg)
{
            printf("定時器創建成功\r\n");
}