「正点原子STM32Mini板资料连载」第四十一章 UCOSII 实验 信号量

本帖最后由 正点原子运营官 于 2020-4-14 19:33 编辑

1）实验平台：ALIENTEK NANO STM32F411 V1开发板
2）摘自《正点原子STM32F4 开发指南（HAL 库版》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第四十一章 UCOSII 实验 2-信号量和邮箱
上一章，我们学习了如何使用 UCOSII，学习了 UCOSII 的任务调度，但是并没有用到任务间的同步与通信，本章我们将学习两个最基本的任务间通讯方式：信号量和邮箱。本章分为如下几个部分：
41.1 UCOSII 信号量和邮箱简介
41.2 硬件设计
41.3 软件设计
41.4 下载验证
41.1 UCOSII 信号量和邮箱简介
系统中的多个任务在运行时，经常需要互相无冲突地访问同一个共享资源，或者需要互相支持和依赖，甚至有时还要互相加以必要的限制和制约，才保证任务的顺利运行。因此，操作系统必须具有对任务的运行进行协调的能力，从而使任务之间可以无冲突、流畅地同步运行，而不致导致灾难性的后果。
例如，任务 A 和任务 B 共享一台打印机，如果系统已经把打印机分配给了任务 A，则任务B 因不能获得打印机的使用权而应该处于等待状态，只有当任务 A 把打印机释放后，系统才能唤醒任务 B 使其获得打印机的使用权。如果这两个任务不这样做，那么会造成极大的混乱 。任务间的同步依赖于任务间的通信。在 UCOSII 中，是使用信号量、邮箱（消息邮箱）和消息队列这些被称作事件的中间环节来实现任务之间的通信的。本章，我们仅介绍信号量和邮箱，消息队列将会在下一章介绍。事件两个任务通过事件进行通讯的示意图如图 41.1.1 所示：

在图 41.1.1 中任务 1 是发信方，任务 2 是收信方。任务 1 负责把信息发送到事件上，这项操作叫做发送事件。任务 2 通过读取事件操作对事件进行查询：如果有信息则读取，否则等待。读事件操作叫做请求事件。
为了把描述事件的数据结构统一起来，UCOSII 使用叫做事件控制块(ECB)的数据结构来描述诸如信号量、邮箱（消息邮箱）和消息队列这些事件。事件控制块中包含包括等待任务表在内的所有有关事件的数据，事件控制块结构体定义如下：
typedef struct
{
INT8U OSEventType;
//事件的类型
INT16U OSEventCnt;
//信号量计数器
void *OSEventPtr;
//消息或消息队列的指针
INT8U OSEventGrp;
//等待事件的任务组
INT8U OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE];//任务等待表
#if OS_EVENT_NAME_EN > 0u
INT8U *OSEventName;
//事件名
#endif
} OS_EVENT;
信号量
信号量是一类事件。使用信号量的最初目的，是为了给共享资源设立一个标志，该标志表示该共享资源的占用情况。这样，当一个任务在访问共享资源之前，就可以先对这个标志进行查询，从而在了解资源被占用的情况之后，再来决定自己的行为。
信号量可以分为两种：一种是二值型信号量，另外一种是 N 值信号量。
二值型信号量好比家里的座机，任何时候，只能有一个人占用。而 N 值信号量，则好比公共电话亭，可以同时有多个人（N 个）使用。
UCOSII 将二值型信号量称之为也叫互斥型信号量，将 N 值信号量称之为计数型信号量，也就是普通的信号量。本章，我们介绍的是普通信号量，互斥型信号量的介绍，请参考《嵌入式实时操作系统 UCOSII 原理及应用》5.4 节。
接下来我们看看在 UCOSII 中，与信号量相关的几个函数（未全部列出，下同）。
1） 创建信号量函数
在使用信号量之前，我们必须用函数 OSSemCreate 来创建一个信号量，该函数的原型为：OS_EVENT *OSSemCreate (INT16U cnt)。该函数返回值为已创建的信号量的指针，而参数 cnt 则是信号量计数器（OSEventCnt）的初始值。
2） 请求信号量函数
任务通过调用函数 OSSemPend 请求信号量，该函数原型如下：void OSSemPend
( OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err)。其中，参数 pevent 是被请求信号量的指针，timeout 为等待时限，err 为错误信息。
为防止任务因得不到信号量而处于长期的等待状态，函数 OSSemPend 允许用参数
timeout 设置一个等待时间的限制，当任务等待的时间超过 timeout 时可以结束等待状态而进入就绪状态。如果参数 timeout 被设置为 0，则表明任务的等待时间为无限长。
3） 发送信号量函数
任务获得信号量，并在访问共享资源结束以后，必须要释放信号量，释放信号量也叫
做发送信号量，发送信号通过 OSSemPost 函数实现 。OSSemPost 函数在对信号量的计数器操作之前，首先要检查是否还有等待该信号量的任务。如果没有，就把信号量计数器OSEventCnt 加一；如果有，则调用调度器 OS_Sched( )去运行等待任务中优先级别最高的任务。函数 OSSemPost 的原型为：INT8U OSSemPost(OS_EVENT *pevent)。其中，pevent
为信号量指针，该函数在调用成功后，返回值为 OS_ON_ERR，否则会根据具体错误返回
OS_ERR_EVENT_TYPE、OS_SEM_OVF。
4） 删除信号量函数
应用程序如果不需要某个信号量了，那么可以调用函数 OSSemDel 来删除该信号量，该函数的原型为：OS_EVENT *OSSemDel (OS_EVENT *pevent,INT8U opt, INT8U *err)。
其中，pevent 为要删除的信号量指针，opt 为删除条件选项，err 为错误信息。
邮箱
在多任务操作系统中，常常需要在任务与任务之间通过传递一个数据（这种数据叫做“消息”）的方式来进行通信。为了达到这个目的，可以在内存中创建一个存储空间作为该数据的缓冲区。如果把这个缓冲区称之为消息缓冲区，这样在任务间传递数据（消息）的最简单办法就是传递消息缓冲区的指针。我们把用来传递消息缓冲区指针的数据结构叫做邮箱（消息邮箱）。
在 UCOSII 中，我们通过事件控制块的 OSEventPrt 来传递消息缓冲区指针，同时使事件控制块的成员 OSEventType 为常数 OS_EVENT_TYPE_MBOX，则该事件控制块就叫做消息邮箱。接下来我们看看在 UCOSII 中，与消息邮箱相关的几个函数。
1） 创建邮箱函数
创建邮箱通过函数 OSMboxCreate 实现，该函数原型为：OS_EVENT *OSMboxCreate
(void *msg)。函数中的参数 msg 为消息的指针，函数的返回值为消息邮箱的指针。
调用函数 OSMboxCreate 需先定义 msg 的初始值。在一般的情况下，这个初始值为NULL；但也可以事先定义一个邮箱，然后把这个邮箱的指针作为参数传递到函数
OSMboxCreate 中，使之一开始就指向一个邮箱。
2） 向邮箱发送消息函数
任务可以通过调用函数 OSMboxPost 向消息邮箱发送消息，这个函数的原型为：INT8U
OSMboxPost (OS_EVENT *pevent,void *msg)。其中 pevent 为消息邮箱的指针，msg 为消息指针。
3） 请求邮箱函数
当一个任务请求邮箱时需要调用函数 OSMboxPend，这个函数的主要作用就是查看邮箱指针 OSEventPtr 是否为 NULL，如果不是 NULL 就把邮箱中的消息指针返回给调用函数的任务，同时用 OS_NO_ERR 通过函数的参数 err 通知任务获取消息成功；如果邮箱指针OSEventPtr 是 NULL，则使任务进入等待状态，并引发一次任务调度。函数 OSMboxPend 的原型为：void *OSMboxPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout,
INT8U *err)。其中 pevent 为请求邮箱指针，timeout 为等待时限，err 为错误信息。
4） 查询邮箱状态函数
任务可以通过调用函数 OSMboxQuery 查询邮箱的当前状态。该函数原型为：INT8U
OSMboxQuery(OS_EVENT *pevent,OS_MBOX_DATA *pdata)。其中 pevent 为消息邮箱指
针，pdata 为存放邮箱信息的结构。
5） 删除邮箱函数
在邮箱不再使用的时候，我们可以通过调用函数 OSMboxDel 来删除一个邮箱，该函
数原型为：OS_EVENT *OSMboxDel(OS_EVENT *pevent,INT8U opt,INT8U *err)。其中
pevent 为消息邮箱指针，opt 为删除选项，err 为错误信息。
关于 UCOSII 信号量和邮箱的介绍，就到这里。更详细的介绍，请参考《嵌入式实时操作系统 UCOSII 原理及应用》第五章。
41.2 硬件设计
本节实验功能简介：本章我们在 UCOSII 里面创建 6 个任务（不含统计任务和空闲任务）：开始任务、LED0 任务、LED1 任务、触摸屏任务、主任务和按键扫描任务，开始任务用于创建
信号量、创建邮箱、初始化统计任务以及其他任务的创建，之后挂起；LED0 任务用于 DS0 控
制，提示程序运行状况；LED1 任务用于测试信号量，通过请求信号量函数，每得到一个信号量，DS1 就亮一下；触摸屏任务用于在屏幕上画图，可以用于测试 CPU 使用率；按键扫描任务用于按键扫描，优先级最高，将得到的键值通过消息邮箱发送出去；主任务则通过查询消息邮箱获得键值，并根据键值执行信号量发送（DS1 控制）、触摸区域清屏和触摸屏校准等控制。
所要用到的硬件资源如下：
1） 指示灯 DS0 、DS1
2） 三个按键（KEY0/KEY1/WK_UP）
3） TFTLCD 模块
这些，我们在前面的学习中都已经介绍过了。
41.3 软件设计
本章，我们在第二十六章实验 （实验 21 ）的基础上修改。首先，是 UCOSII 代码的添加，具体方法同上一章一模一样，本章就不再详细介绍了。不过，本章我们将 OS_TICKS_PER_SEC
设置为 500，即 UCOSII 的时钟节拍为 2ms。
在加入 UCOSII 代码后，我们只需要修改 test.c 函数了，打开 main.c，输入如下代码：
//START 任务
//设置任务优先级
#define START_TASK_PRIO
10 //开始任务的优先级为最低
//设置任务堆栈大小
#define START_STK_SIZE
128
//任务任务堆栈
OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE];
//任务函数
void start_task(void *pdata);
//触摸屏任务
//设置任务优先级
#define TOUCH_TASK_PRIO 7
//设置任务堆栈大小
#define TOUCH_STK_SIZE 128
//任务堆栈
OS_STK TOUCH_TASK_STK[TOUCH_STK_SIZE];
//任务函数
void touch_task(void *pdata);
//LED0 任务
//设置任务优先级
#define LED0_TASK_PRIO
6
//设置任务堆栈大小
#define LED0_STK_SIZE
128
//任务堆栈
OS_STK LED0_TASK_STK[LED0_STK_SIZE];
//任务函数
void led0_task(void *pdata);
//LED01 任务
//设置任务优先级
#define LED1_TASK_PRIO
5
//设置任务堆栈大小
#define LED1_STK_SIZE
128
//任务堆栈
OS_STK LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE];
//任务函数
void led1_task(void *pdata);
//主任务
//设置任务优先级
#define MAIN_TASK_PRIO 4
//设置任务堆栈大小
#define MAIN_STK_SIZE 128
//任务堆栈
OS_STK MAIN_TASK_STK[MAIN_STK_SIZE];
//任务函数
void main_task(void *pdata);
//按键扫描任务
//设置任务优先级
#define KEY_TASK_PRIO
3
//设置任务堆栈大小
#define KEY_STK_SIZE 128
//创建任务堆栈空间
OS_STK KEY_TASK_STK[KEY_STK_SIZE];
//任务函数接口
void key_task(void *pdata);
OS_EVENT * msg_key;
//按键邮箱事件块指针
OS_EVENT * sem_led1;
//LED1 信号量指针
//加载主界面
void ucos_load_main_ui(void)
{
LCD_Clear(WHITE); //清屏
POINT_COLOR=RED; //设置字体为红色
LCD_ShowString(30,10,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(30,30,200,16,16,"UCOSII TEST2");
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,75,200,16,16,"KEY0:LED1 KEY_UP:ADJUST");
LCD_ShowString(30,95,200,16,16,"KEY1:CLEAR");
LCD_ShowString(80,210,200,16,16,"Touch Area");
LCD_DrawLine(0,120,lcddev.width,120);
LCD_DrawLine(0,70,lcddev.width,70);
LCD_DrawLine(150,0,150,70);
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(160,30,200,16,16,"CPU: %");
LCD_ShowString(160,50,200,16,16,"SEM:000");
}
int main(void)
{
HAL_Init(); //初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M
delay_init(72);
//初始化延时函数
uart_init(115200);
//初始化 USART
LED_Init();
//初始化 LED
KEY_Init(); //初始化按键
LCD_Init(); //初始化 LCD
tp_dev.init();
//初始化触摸屏
ucos_load_main_ui();
//加载主界面
OSInit();
//初始化 UCOSII
OSTaskCreateExt((void(*)(void*) )start_task, //任务函数
(void* )0, //传递给任务函数的参数
(OS_STK* )&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],//任务堆栈栈顶
(INT8U )START_TASK_PRIO, //任务优先级
(INT16U )START_TASK_PRIO, //任务 ID，这里设置为和优先级一样
(OS_STK* )&START_TASK_STK[0], //任务堆栈栈底
(INT32U )START_STK_SIZE, //任务堆栈大小
(void* )0, //用户补充的存储区
(INT16U )OS_TASK_OPT_STK_CHK|
OS_TASK_OPT_STK_CLR|OS_TASK_OPT_SAVE_FP);
//任务选项,为了保险起见，所有任务都保存浮点寄存器的值
OSStart(); //开始任务
}
//画水平线
//x0,y0:坐标
//len:线长度
//color:颜色
void gui_draw_hline(u16 x0,u16 y0,u16 len,u16 color)
{
if(len==0)return;
LCD_Fill(x0,y0,x0+len-1,y0,color);
}
//画实心圆
//x0,y0:坐标
//r:半径
//color:颜色
void gui_fill_circle(u16 x0,u16 y0,u16 r,u16 color)
{
u32 i;
u32 imax = ((u32)r*707)/1000+1;
u32 sqmax = (u32)r*(u32)r+(u32)r/2;
u32 x=r;
gui_draw_hline(x0-r,y0,2*r,color);
for (i=1;i<=imax;i++)
{
if ((i*i+x*x)>sqmax)// draw lines from outside
{
if (x>imax)
{
gui_draw_hline (x0-i+1,y0+x,2*(i-1),color);
gui_draw_hline (x0-i+1,y0-x,2*(i-1),color);
}
x--;
}
// draw lines from inside (center)
gui_draw_hline(x0-x,y0+i,2*x,color);
gui_draw_hline(x0-x,y0-i,2*x,color);
}
}
//两个数之差的绝对值
//x1,x2：需取差值的两个数
//返回值：|x1-x2|
u16 my_abs(u16 x1,u16 x2)
{
if(x1>x2)return x1-x2;
else return x2-x1;
}
//画一条粗线
//(x1,y1),(x2,y2):线条的起始坐标
//size：线条的粗细程度
//color：线条的颜色
void lcd_draw_bline(u16 x1, u16 y1, u16 x2, u16 y2,u8 size,u16 color)
{
u16 t;
int xerr=0,yerr=0,delta_x,delta_y,distance;
int incx,incy,uRow,uCol;
if(x1 delta_x=x2-x1; //计算坐标增量
delta_y=y2-y1;
uRow=x1;
uCol=y1;
if(delta_x>0)incx=1; //设置单步方向
else if(delta_x==0)incx=0;//垂直线
else {incx=-1;delta_x=-delta_x;}
if(delta_y>0)incy=1;
else if(delta_y==0)incy=0;//水平线
else{incy=-1;delta_y=-delta_y;}
if( delta_x>delta_y)distance=delta_x; //选取基本增量坐标轴
else distance=delta_y;
for(t=0;t<=distance+1;t++ )//画线输出
{
gui_fill_circle(uRow,uCol,size,color);//画点
xerr+=delta_x ;
yerr+=delta_y ;
if(xerr>distance)
{
xerr-=distance;
uRow+=incx;
}
if(yerr>distance)
{
yerr-=distance;
uCol+=incy;
}
}
}
//开始任务
void start_task(void *pdata)
{
OS_CPU_SR cpu_sr=0;
pdata = pdata;
msg_key=OSMboxCreate((void*)0); //创建消息邮箱
sem_led1=OSSemCreate(0);
//创建信号量
OSStatInit();
//初始化统计任务.这里会延时 1 秒钟左右
OS_ENTER_CRITICAL();
//进入临界区(无法被中断打断)
OSTaskCreateExt((void(*)(void*) )touch_task,
(void* )0,
(OS_STK* )&TOUCH_TASK_STK[TOUCH_STK_SIZE-1],
(INT8U )TOUCH_TASK_PRIO,
(INT16U )TOUCH_TASK_PRIO,
(OS_STK* )&TOUCH_TASK_STK[0],
(INT32U )TOUCH_STK_SIZE,
(void* )0,
(INT16U )OS_TASK_OPT_STK_CHK|
OS_TASK_OPT_STK_CLR|OS_TASK_OPT_SAVE_FP);
…创建任务(详细请看源码)…
OS_EXIT_CRITICAL();
//退出临界区(可以被中断打断)
}
//LED0 任务
void led0_task(void *pdata)
{
u8 t;
while(1)
{
t++; delay_ms(10);
if(t==8)LED0=1;
//LED0 灭
if(t==100) { t=0; LED0=0;} //LED0 亮
}
}
//LED1 任务
void led1_task(void *pdata)
{
u8 err;
while(1)
{
OSSemPend(sem_led1,0,&err);
LED1=0;delay_ms(200);
LED1=1; delay_ms(800);
}
}
//触摸屏任务
void touch_task(void *pdata)
{
while(1)
{
tp_dev.scan(0);
if(tp_dev.sta&TP_PRES_DOWN)
//触摸屏被按下
{
if(tp_dev.x[0]120)
{
TP_Draw_Big_Point(tp_dev.x[0],tp_dev.y[0],RED);
//画图
delay_ms(2);
}
}else delay_ms(10);
//没有按键按下的时候
}
}
//主任务
void main_task(void *pdata)
{
u32 key=0; u8 err; u8 semmask=0;u8 tcnt=0;
while(1)
{
key=(u32)OSMboxPend(msg_key,10,&err);
switch(key)
{
case KEY0_PRES://发送信号量
semmask=1;
OSSemPost(sem_led1);
break;
case KEY1_PRES://清除
LCD_Fill(0,121,lcddev.width,lcddev.height,WHITE);
break;
case WKUP_PRES://校准
OSTaskSuspend(TOUCH_TASK_PRIO); //挂起触摸屏任务
if((tp_dev.touchtype&0X80)==0)TP_Adjust();
OSTaskResume(TOUCH_TASK_PRIO);
//解挂
ucos_load_main_ui();
//重新加载主界面
break;
}
if(semmask||sem_led1->OSEventCnt)//需要显示 sem
{
POINT_COLOR=BLUE;
LCD_ShowxNum(192,50,sem_led1->OSEventCnt,3,16,0X80);//显示信号量值
if(sem_led1->OSEventCnt==0)semmask=0; //停止更新
}
if(tcnt==50)//0.5 秒更新一次 CPU 使用率
{
tcnt=0;
POINT_COLOR=BLUE;
LCD_ShowxNum(192,30,OSCPUUsage,3,16,0); //显示 CPU 使用率
}
tcnt++; delay_ms(10);
}
}
//按键扫描任务
void key_task(void *pdata)
{
u8 key;
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key)OSMboxPost(msg_key,(void*)key);//发送消息
delay_ms(10);
}
}
该部分代码我们创建了 6 个任务：start_task、led0_task、touch_task、led1_task、main_task
和 key_task，优先级分别是 10 和 7~3，堆栈大小都是是 128。
该程序的运行流程就比上一章复杂了一些，我们创建了消息邮箱 msg_key，用于按键任务和主任务之间的数据传输（传递键值），另外创建了信号量 sem_led1，用于 LED1 任务和主任
务之间的通信。本代码中，我们使用了 UCOSII 提供的 CPU 统计任务，通过 OSStatInit 初始化 CPU 统计任务，然后在主任务中显示 CPU 使用率。
另外，在主任务中，我们用到了任务的挂起和恢复函数，在执行触摸屏校准的时候，我们必须先将触摸屏任务挂起，待校准完成之后，再恢复触摸屏任务。这是因为触摸屏校准和触摸
屏任务都用到了触摸屏和 TFTLCD，而这两个东西是不支持多个任务占用的，所以必须采用独占的方式使用，否则可能导致数据错乱。
软件设计部分就为大家介绍到这里。
41.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 MiniSTM32 开发板上，可以看到 LCD显示界
面如图 41.4.1 所示：

图 41.4.1 初始界面

从图中可以看出，默认状态下，CPU 使用率仅为 1%。此时通过在触摸区域（Touch Area）画图，可以看到 CPU 使用率飙升(42%)，说明触摸屏任务是一个很占 CPU 的任务；通过按 KEY0，可以控制 DS1 的亮灭，同时，可以在 LCD 上面看到信号量的当前值；通过按 KEY1 可以清屏；通过按 WK_UP 可以进入校准程序，进行触摸屏校准。