FreeRTOS互斥信号量

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本章节讲解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章节的信号量后再学习本章节的互斥信号量。

FreeRTOS中互斥信号量的源码实现是基于消息队列实现的。

本章教程配套的例子含Cortex-M3内核的STM32F103和Cortex-M4内核的STM32F407以及F429。

23.1 互斥信号量

23.2 互斥信号量API函数

23.3 实验例程说明

23.4 总结

23.1互斥信号量

23.1.1 互斥信号量的概念及其作用

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：

u 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。

u 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：

u 创建二值信号量

static SemaphoreHandle_t  xSemaphore = NULL;

static void AppObjCreate (void)

{

xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

if(xSemaphore == NULL)

{

}

xSemaphoreGive(xSemaphore);

}

u 通过二值信号量实现对printf函数互斥访问的两个任务

static void vTaskLED(void *pvParameters)

{

TickType_t xLastWakeTime;

const TickType_t xFrequency = 300;

xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

while(1)

{

xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);

printf("任务vTaskLED在运行rn");

bsp_LedToggle(1);

bsp_LedToggle(4);

xSemaphoreGive(xSemaphore);

vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);

}

}

static void vTaskMsgPro(void *pvParameters)

{

TickType_t xLastWakeTime;

const TickType_t xFrequency = 300;

xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

while(1)

{

xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);

printf("任务vTaskMsgPro在运行rn");

bsp_LedToggle(2);

bsp_LedToggle(3);

xSemaphoreGive(xSemaphore);

vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);

}

}

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。

23.1.2优先级翻转问题

下面我们通过如下的框图来说明一下优先级翻转的问题，让大家有一个形象的认识。

运行条件：

u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。

u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。

u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：

u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。

u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。

u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。

上面就是一个产生优先级翻转问题的现象。

23.1.3FreeRTOS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。

运行条件：

u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。

u任务Task1和Task2互斥访问串口打印printf。

u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：

u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。

u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。

u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。

上面就是一个简单的FreeRTOS互斥信号量的实现过程。

23.1.4FreeRTOS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。

23.2互斥信号量API函数

使用如下18个函数可以实现FreeRTOS的信号量(含计数信号量，二值信号量和互斥信号)：

(1)     xSemaphoreCreateBinary()

(2)    xSemaphoreCreateBinaryStatic()

(3)    vSemaphoreCreateBinary()

(4)    xSemaphoreCreateCounting()

(5)    xSemaphoreCreateCountingStatic()

(6)    xSemaphoreCreateMutex()

(7)    xSemaphoreCreateMutexStatic()

(8)    xSem"CreateRecursiveMutex()

(9)    xSem"CreateRecursiveMutexStatic()

(10)    vSemaphoreDelete()

(11)    xSemaphoreGetMutexHolder()

(12)    uxSemaphoreGetCount()

(13)    xSemaphoreTake()

(14)    xSemaphoreTakeFromISR()

(15)    xSemaphoreTakeRecursive()

(16)    xSemaphoreGive()

(17)    xSemaphoreGiveRecursive()

(18)    xSemaphoreGiveFromISR()

关于这18个函数的讲解及其使用方法可以看FreeRTOS在线版手册：

上面截图中打印出来的任务状态字母B, R, D, S对应如下含义：

#define tskBLOCKED_CHAR         ( "B" )任务阻塞

#define tskREADY_CHAR         ( "R" )任务就绪

#define tskDELETED_CHAR          ( "D" )任务删除

#define tskSUSPENDED_CHAR  ( "S" )任务挂起

程序设计：

u任务栈大小分配：

vTaskUserIF任务：2048字节

vTaskLED任务：2048字节

vTaskMsgPro任务 ：2048字节

vTaskStart任务：2048字节

任务栈空间是在任务创建的时候从FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap空间中申请的

#define configTOTAL_HEAP_SIZE       ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )

u系统栈大小分配：

uFreeROTS初始化：

int main(void)

{

__set_PRIMASK(1);

bsp_Init();

vSetupSysInfoTest();

AppTaskCreate();

AppObjCreate();

vTaskStartScheduler();

while(1);

}

u硬件外设初始化

硬件外设的初始化是在bsp.c文件实现：

void bsp_Init(void)

{

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);

bsp_InitUart();

bsp_InitLed();

bsp_InitKey();

}

uFreeRTOS任务创建：

static void AppTaskCreate (void)

{

xTaskCreate( vTaskTaskUserIF,

"vTaskUserIF",

512,

NULL,

1,

&xHandleTaskUserIF ); /*任务句柄*/

xTaskCreate( vTaskLED,

"vTaskLED",

512,

NULL,

2,

&xHandleTaskLED );

xTaskCreate( vTaskMsgPro,

"vTaskMsgPro",

512,

NULL,

3,

&xHandleTaskMsgPro ); /*任务句柄*/

xTaskCreate( vTaskStart,

"vTaskStart",

512,

NULL,

4,

&xHandleTaskStart );

}

uFreeRTOS互斥信号量创建：

static void AppObjCreate (void)

{

xMutex = xSemaphoreCreateMutex();

if(xMutex == NULL)

{

}

}

u四个FreeRTOS任务的实现：

static void vTaskTaskUserIF(void *pvParameters)

{

uint8_t ucKeyCode;

uint8_t pcWriteBuffer[500];

while(1)

{

ucKeyCode = bsp_GetKey();

if (ucKeyCode != KEY_NONE)

{

switch (ucKeyCode)

{

case KEY_DOWN_K1:

xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);

printf("=================================================rn");

printf("任务名任务状态 优先级剩余栈 任务序号rn");

vTaskList((char *)&pcWriteBuffer);

printf("%srn", pcWriteBuffer);

printf("rn任务名运行计数使用率rn");

vTaskGetRunTimeStats((char *)&pcWriteBuffer);

printf("%srn", pcWriteBuffer);

xSemaphoreGive(xMutex);

break;

default:

break;

}

}

vTaskDelay(20);

}

}

static void vTaskLED(void *pvParameters)

{

TickType_t xLastWakeTime;

const TickType_t xFrequency = 200;

xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

while(1)

{

xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);

printf("任务vTaskLED在运行rn");

bsp_LedToggle(2);

bsp_LedToggle(3);

xSemaphoreGive(xMutex);

vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);

}

}

static void vTaskMsgPro(void *pvParameters)

{

TickType_t xLastWakeTime;

const TickType_t xFrequency = 300;

xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

while(1)

{

xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);

printf("任务vTaskMsgPro在运行rn");

bsp_LedToggle(1);

bsp_LedToggle(4);

xSemaphoreGive(xMutex);

vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);

}

}

static void vTaskStart(void *pvParameters)

{

while(1)

{

bsp_KeyScan();

vTaskDelay(10);

}

}

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