FreeRTOS任务间通信与同步 |
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在嵌入式系统中，任务管理是一个重要的部分，它涉及到任务之间的通信和同步，信号量，队列，互斥锁和事件标志组等概念。本文将以FreeRTOS为例，详细讲解这些内容。 1. 任务间通信与同步概述在FreeRTOS中，任务是由一个或多个函数组成的独立的执行流，它们可以独立的运行和调度。任务之间的通信和同步是任务管理的核心内容之一。任务间的通信是指一个任务向另一个任务传递信息，而同步则是指多个任务按照一定的顺序执行。FreeRTOS提供了多种任务间通信和同步的机制，包括信号量，队列，互斥锁和事件标志组等。 2. 信号量的使用与实例信号量（Semaphore）是FreeRTOS中一种常用的同步机制，主要用于任务间和中断服务例程（ISR）间的通信。它们被用来保护共享资源，使得只有一个任务或者中断服务例程可以访问共享资源，避免了资源冲突的问题。 FreeRTOS中的信号量主要有两种类型：计数信号量和二值信号量。 计数信号量（Counting Semaphore）：是一种可以持有多个“计数”或者“票”的信号量。例如，如果你有一些共享资源，每个资源都需要独立的访问控制，你就可以使用一个初始计数等于资源数量的计数信号量。当一个任务需要访问一个资源时，它会尝试“获取”一个信号量。如果信号量计数大于0，那么信号量计数减1，任务继续执行。如果计数为0，那么任务就会阻塞，直到信号量计数大于0。当任务不再需要访问资源时，它应该“释放”信号量，信号量计数加1。 二值信号量（Binary Semaphore）：是一种只有两个值（0和1）的特殊信号量。它通常被用作任务之间或者任务与中断服务例程之间的同步机制。当信号量的值为1时，任务可以获取信号量并继续执行。当信号量的值为0时，任务尝试获取信号量会被阻塞，直到信号量的值变为1。二值信号量也可以被用作互斥量（Mutex），用于保护共享资源的访问。 在FreeRTOS中，信号量的操作主要有创建（xSemaphoreCreateBinary, xSemaphoreCreateCounting等函数）、获取（xSemaphoreTake函数）和释放（xSemaphoreGive函数）。在中断服务例程中，获取和释放信号量的函数有所不同，分别为xSemaphoreTakeFromISR和xSemaphoreGiveFromISR。 示例 计数信号量假设有两个任务TaskA和TaskB，TaskA负责发送数据，TaskB负责接收数据。我们使用计数信号量来实现TaskA和TaskB之间的同步。 首先，在FreeRTOS中创建一个计数信号量： SemaphoreHandle_t xSemaphore; xSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(10, 0); // 创建一个计数信号量，初始计数值为0，最大计数值为10接下来，在TaskA中发送数据时获取计数信号量： void TaskA(void *pvParameters) { while (1) { // 发送数据 ... // 获取计数信号量，如果计数值为0，则任务被阻塞 xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY); } }在TaskB中接收数据时释放计数信号量： void TaskB(void *pvParameters) { while (1) { // 接收数据 ... // 释放计数信号量，增加计数值 xSemaphoreGive(xSemaphore); } }在上述代码中，当TaskA发送数据时，它会获取计数信号量，如果计数值为0，则TaskA会被阻塞，直到TaskB接收数据并释放计数信号量为止。当TaskB释放计数信号量后，计数值增加，TaskA可以继续执行发送数据的操作。 这样，使用计数信号量可以实现TaskA和TaskB之间的同步，保证TaskA在TaskB完成接收数据后才进行发送数据的操作，避免了数据的丢失和冲突。 二值信号量二值信号量（Binary Semaphore）是一种用于任务间同步和互斥的机制。它只有两个状态，可以是空闲或者被占用，类似于互斥锁。 下面是一个使用二值信号量的示例： #include "FreeRTOS.h" #include "task.h" #include "semphr.h" // 创建一个二值信号量 SemaphoreHandle_t binarySemaphore; // 任务1 void task1(void *pvParameters) { while (1) { // 等待二值信号量 xSemaphoreTake(binarySemaphore, portMAX_DELAY); // 执行任务1的操作 // ... // 释放二值信号量 xSemaphoreGive(binarySemaphore); // 延时一段时间 vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); } } // 任务2 void task2(void *pvParameters) { while (1) { // 等待二值信号量 xSemaphoreTake(binarySemaphore, portMAX_DELAY); // 执行任务2的操作 // ... // 释放二值信号量 xSemaphoreGive(binarySemaphore); // 延时一段时间 vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); } } int main() { // 创建二值信号量 binarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary(); // 创建任务1 xTaskCreate(task1, "Task 1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL); // 创建任务2 xTaskCreate(task2, "Task 2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL); // 启动任务调度器 vTaskStartScheduler(); return 0; }在上面的示例中，首先创建了一个二值信号量binarySemaphore，然后创建了两个任务task1和task2。这两个任务都会在一个无限循环中执行，首先等待二值信号量，然后执行自己的操作，最后释放二值信号量。 当一个任务等待二值信号量时，如果二值信号量的状态是空闲（未被占用），则任务可以获取到该信号量，继续执行自己的操作。如果二值信号量的状态是被占用（已经有任务获取到了信号量），则任务会一直等待，直到信号量被释放。 需要注意的是，当一个任务获取到二值信号量后，其他任务将无法获取到该信号量，直到该任务释放信号量。这就保证了任务之间的互斥性。 通过使用二值信号量，可以实现任务间的同步和互斥操作，确保多个任务按照特定的顺序执行或者避免资源的竞争。 3. 队列的使用与实例队列是一种数据结构，它允许任务按照先进先出（FIFO）的原则将数据项插入队列和从队列中获取数据项。在FreeRTOS中，可以使用xQueueCreate()函数来创建一个队列。 示例： QueueHandle_t xQueue; void vProducerTask(void pvParameters) { int32_t lValueToSend; BaseType_t xStatus; lValueToSend = (int32_t) pvParameters; for(;;) { xStatus = xQueueSendToBack(xQueue, &lValueToSend, 0); if(xStatus != pdPASS) { printf("Could not send to the queue.\n"); } } }在这个例子中，vProducerTask任务将数据项发送到队列的尾部。如果发送成功，xQueueSendToBack()函数将返回pdPASS，否则，将返回一个错误代码。 4. 互斥锁的使用与实例互斥锁是一种用于保护共享资源的机制。当一个任务需要使用一个共享资源时，它必须首先获取互斥锁。如果互斥锁已经被另一个任务获取，那么这个任务就需要等待，直到互斥锁被释放。在FreeRTOS中，可以使用xSemaphoreCreateMutex()函数来创建一个互斥锁。 示例： SemaphoreHandle_t xMutex; void vTask(void pvParameters) { for(;;) { if(xSemaphoreTake(xMutex, (TickType_t)10) == pdTRUE) { // The mutex was successfully taken, so the shared resource can be accessed. printf("Task: Mutex taken!\n"); // ... // Access the shared resource. // ... // Release the mutex. xSemaphoreGive(xMutex); } else { // The mutex could not be taken. printf("Task: Mutex not taken!\n"); } } }在这个例子中，vTask任务尝试获取一个互斥锁。如果成功，它将访问一个共享资源，然后释放互斥锁。 5. 事件标志组的使用与实例事件标志组是一种用于表示一组事件发生状态的数据结构。每一个事件都有一个对应的标志，当事件发生时，标志被设置，当事件被处理时，标志被清除。在FreeRTOS中，可以使用xEventGroupCreate()函数来创建一个事件标志组。 示例： EventGroupHandle_t xEventGroup; void vTask(void pvParameters) { EventBits_t uxBits; for(;;) { uxBits = xEventGroupWaitBits( xEventGroup, // The event group being tested. BIT_0 | BIT_4, // The bits within the event group to wait for. pdTRUE, // BIT_0 & BIT_4 should be cleared before returning. pdFALSE, // Don't wait for both bits, either bit will do. portMAX_DELAY // Wait a maximum for either bit to be set. ); if((uxBits & (BIT_0 | BIT_4)) == (BIT_0 | BIT_4)) { // Both bits were set. printf("Task: Both bits were set!\n"); } else if((uxBits & BIT_0) != 0) { // Bit 0 was set. printf("Task: Bit 0 was set!\n"); } else if((uxBits & BIT_4) != 0) { // Bit 4 was set. printf("Task: Bit 4 was set!\n"); } else { // Neither bit was set. printf("Task: Neither bit was set!\n"); } } }在这个例子中，vTask任务等待事件标志组中的任何一个事件发生。如果两个事件都发生，它将打印出"Both bits were set!"，如果只有一个事件发生，它将打印出对应的消息。 6. 信号量 vs 互斥锁信号量（Semaphore）和互斥锁（Mutex）都是多任务环境下保护共享资源的一种方法，它们之间存在一些区别： 互斥锁是一种所有权的概念，即一个任务获取了互斥锁后，只有它自己可以释放这个互斥锁，其他任务不能释放。而信号量没有所有权的概念，任何任务都可以释放信号量。 在FreeRTOS中，互斥锁有优先级反转的解决机制，当一个低优先级的任务获取了互斥锁，而高优先级的任务需要这个互斥锁时，低优先级的任务的优先级会被提升，以减少优先级反转的问题。而信号量没有这个机制。 互斥锁通常用于保护共享资源，即在同一时间只能有一个任务访问某个资源。信号量则更多是用于任务同步，它可以被用来唤醒一个或多个等待的任务。 在FreeRTOS中，信号量可以有计数的概念，即可以被“给”多次，每次“给”都会增加一个计数，而互斥锁没有这个概念，它只有锁定和解锁两种状态。 信号量可以被用作二元信号量（即只有两种状态，0和1，类似互斥锁），而互斥锁不能被用作计数信号量。 总结在FreeRTOS中，任务间的通信和同步是一个重要的部分，它涉及到信号量，队列，互斥锁和事件标志组等概念。通过理解和掌握这些概念，可以有效地管理和调度任务，提高系统的效率和稳定性。 公众号 | FunIO 微信搜一搜 “funio”，发现更多精彩内容。 个人博客 | blog.boringhex.top |
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