使用Arduino在FreeRTOS中實(shí)現(xiàn)信號量和互斥量的方式

信號量和互斥（互斥）是用于同步、資源管理和保護(hù)資源免受損壞的內(nèi)核對象。在本教程的前半部分，我們將了解Semaphore背后的理念，以及如何以及在何處使用它。

什么是信號量？

信號量是一種信號機(jī)制，其中處于等待狀態(tài)的任務(wù)由另一個(gè)任務(wù)發(fā)出信號以執(zhí)行。換句話說，當(dāng)一個(gè)task1完成它的工作時(shí)，它會顯示一個(gè)標(biāo)志或?qū)⒁粋€(gè)標(biāo)志加1，然后另一個(gè)任務(wù)（task2）收到這個(gè)標(biāo)志，表明它現(xiàn)在可以執(zhí)行它的工作了。當(dāng) task2 完成其工作時(shí)，標(biāo)志將減 1。

因此，基本上，它是一種“給予”和“接受”機(jī)制，而信號量是一個(gè)整數(shù)變量，用于同步對資源的訪問。

FreeRTOS 中的信號量類型：

信號量有兩種類型。

二進(jìn)制信號量

計(jì)數(shù)信號量

1、Binary Semaphore：它有兩個(gè)整數(shù)值0和1。有點(diǎn)類似于長度為1的Queue。比如我們有兩個(gè)task，task1和task2。task1向task2發(fā)送數(shù)據(jù)，因此task2不斷檢查隊(duì)列項(xiàng)，如果有1，那么它可以讀取數(shù)據(jù)，否則它必須等到它變成1。取完數(shù)據(jù)后，task2將隊(duì)列遞減，使其為0，即task1再次可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到task2。

從上面的例子可以說，二進(jìn)制信號量是用于任務(wù)之間或任務(wù)與中斷之間的同步。

2. Counting Semaphore：它的值大于0，可以認(rèn)為是長度大于1的隊(duì)列。這個(gè)semaphore用于對事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。在這種使用場景中，事件處理程序?qū)⒃诿看问录l(fā)生時(shí)“給予”一個(gè)信號量（增加信號量計(jì)數(shù)值），而處理程序任務(wù)將在每次處理事件時(shí)“獲取”一個(gè)信號量（減少信號量計(jì)數(shù)值） 。

因此，計(jì)數(shù)值是已發(fā)生的事件數(shù)與已處理的事件數(shù)之差。

現(xiàn)在，讓我們看看如何在我們的 FreeRTOS 代碼中使用 Semaphore。

如何在 FreeRTOS 中使用信號量？

FreeRTOS 支持用于創(chuàng)建信號量、獲取信號量和提供信號量的不同 API。

現(xiàn)在，同一個(gè)內(nèi)核對象可以有兩種類型的 API。如果我們必須從 ISR 提供??信號量，則無法使用正常的信號量 API。您應(yīng)該使用受中斷保護(hù)的 API。

在本教程中，我們將使用二進(jìn)制信號量，因?yàn)樗子诶斫夂蛯?shí)現(xiàn)。由于此處使用了中斷功能，因此您需要在 ISR 功能中使用受中斷保護(hù)的 API。當(dāng)我們說將任務(wù)與中斷同步時(shí)，這意味著在 ISR 之后立即將任務(wù)置于運(yùn)行狀態(tài)。

創(chuàng)建信號量：

要使用任何內(nèi)核對象，我們必須首先創(chuàng)建它。要創(chuàng)建二進(jìn)制信號量，請使用vSemaphoreCreateBinary（）。

此 API 不接受任何參數(shù)，并返回 SemaphoreHandle_t 類型的變量。創(chuàng)建一個(gè)全局變量名sema_v來存儲信號量。

SemaphoreHandle_t sema_v;

sema_v = xSemaphoreCreateBinary（）;

給出信號量：

對于提供信號量，有兩種版本——一種用于中斷，另一種用于正常任務(wù)。

xSemaphoreGive（）：這個(gè) API 只接受一個(gè)參數(shù)，它是信號量的變量名，如上面在創(chuàng)建信號量時(shí)給出的 sema_v。它可以從您想要同步的任何正常任務(wù)中調(diào)用。

xSemaphoreGiveFromISR（）：這是 xSemaphoreGive（） 的受中斷保護(hù)的 API 版本。當(dāng)我們需要同步 ISR 和普通任務(wù)時(shí)，應(yīng)該從 ISR 函數(shù)中使用 xSemaphoreGiveFromISR（）。

獲取信號量：

要獲取信號量，請使用 API 函數(shù)xSemaphoreTake（）。這個(gè) API 有兩個(gè)參數(shù)。

xSemaphoreTake（SemaphoreHandle_t xSemaphore， TickType_t xTicksToWait）;

xSemaphore：在我們的案例 sema_v 中要采用的信號量的名稱。

xTicksToWait：這是任務(wù)在阻塞狀態(tài)下等待信號量變?yōu)榭捎玫淖铋L時(shí)間。在我們的項(xiàng)目中，我們將 xTicksToWait 設(shè)置為portMAX_DELAY以使 task_1 無限期地等待阻塞狀態(tài)，直到 sema_v 可用。

現(xiàn)在，讓我們使用這些 API 并編寫代碼來執(zhí)行一些任務(wù)。

這里連接了一個(gè)按鈕和兩個(gè) LED。按鈕將充當(dāng)連接到 Arduino Uno 引腳 2 的中斷按鈕。按下此按鈕時(shí)將產(chǎn)生中斷，連接到引腳 8 的 LED 將打開，再次按下時(shí)將關(guān)閉。

因此，當(dāng)按下按鈕時(shí)，將從 ISR 函數(shù)調(diào)用xSemaphoreGiveFromISR （），從 TaskLED 函數(shù)調(diào)用 xSemaphoreTake（） 函數(shù)。

為了使系統(tǒng)看起來多任務(wù)，將其他 LED 連接到引腳 7，引腳 7 將始終處于閃爍狀態(tài)。

信號量代碼說明

讓我們通過打開 Arduino IDE 開始編寫代碼

1. 首先，包含Arduino_FreeRTOS.h頭文件?，F(xiàn)在，如果使用任何內(nèi)核對象，如隊(duì)列信號量，則還必須包含一個(gè)頭文件。

#include  
#include 

2.聲明一個(gè)SemaphoreHandle_t類型的變量來存儲信號量的值。

SemaphoreHandle_t 中斷信號量；

3. 在 void setup() 中，使用 xTaskCreate() API 創(chuàng)建兩個(gè)任務(wù)（TaskLED 和 TaskBlink），然后使用 xSemaphoreCreateBinary() 創(chuàng)建一個(gè)信號量。創(chuàng)建一個(gè)具有相同優(yōu)先級的任務(wù)，然后嘗試使用這個(gè)數(shù)字。此外，將引腳 2 配置為輸入并啟用內(nèi)部上拉電阻并連接中斷引腳。最后，啟動調(diào)度程序，如下所示。

無效設(shè)置（）{ 
  pinMode（2，INPUT_PULLUP）；
  xTaskCreate(TaskLed, "Led", 128, NULL, 0, NULL ); 
xTaskCreate(TaskBlink, "LedBlink", 128, NULL, 0, NULL ); 
  中斷信號量 = xSemaphoreCreateBinary(); 
  if (interruptSemaphore != NULL) { 
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), debounceInterrupt, LOW); 
  } 
}

4. 現(xiàn)在，實(shí)現(xiàn) ISR 功能。創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)并將其命名為與attachInterrupt()函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)相同。為了使中斷正常工作，您需要使用millis或micros功能并通過調(diào)整去抖時(shí)間來消除按鈕的去抖問題。從此函數(shù)調(diào)用interruptHandler()函數(shù)，如下所示。

長去抖時(shí)間 = 150; 
volatile unsigned long last_micros; 
void debounceInterrupt() { 
if((long)(micros() - last_micros) >= debounce_time * 1000) { 
interruptHandler(); 
last_micros = micros(); 
} 
}

在interruptHandler()函數(shù)中，調(diào)用xSemaphoreGiveFromISR()API。

void interruptHandler() { 
xSemaphoreGiveFromISR(interruptSemaphore, NULL); 
}

這個(gè)函數(shù)會給TaskLed一個(gè)信號量來打開LED。

5. 創(chuàng)建一個(gè)TaskLed函數(shù)并在while循環(huán)中調(diào)用xSemaphoreTake()API 并檢查信號量是否被成功獲取。如果它等于 pdPASS（即 1），則使 LED 切換如下所示。

void TaskLed(void *pvParameters) 
{ 
(void) pvParameters; 
pinMode（8，輸出）；
while(1) { 
if (xSemaphoreTake(interruptSemaphore, portMAX_DELAY) == pdPASS) { 
digitalWrite(8, !digitalRead(8)); 
}   
} 
}

6. 另外，創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)來閃爍連接到引腳 7 的其他 LED。

void TaskLed1(void *pvParameters) 
{ 
(void) pvParameters; 
pinMode（7，輸出）；
而（1）{
數(shù)字寫入（7，高）；
vTaskDelay(200 / portTICK_PERIOD_MS); 
數(shù)字寫入（7，低）；
vTaskDelay(200 / portTICK_PERIOD_MS); 
} 
}

7. void 循環(huán)函數(shù)將保持為空。不要忘記它。

無效循環(huán)（）{}

就是這樣，完整的代碼可以在本教程的末尾找到?，F(xiàn)在，上傳此代碼并根據(jù)電路圖將 LED 和按鈕與 Arduino UNO 連接起來。

電路原理圖

上傳代碼后，您會看到一個(gè) LED 在 200 毫秒后閃爍，當(dāng)按下按鈕時(shí)，第二個(gè) LED 會立即發(fā)光，如最后給出的視頻所示。

通過這種方式，信號量可以在帶有 Arduino 的 FreeRTOS 中使用，它需要將數(shù)據(jù)從一個(gè)任務(wù)傳遞到另一個(gè)任務(wù)而不會造成任何損失。

現(xiàn)在，讓我們看看什么是 Mutex 以及如何使用 FreeRTOS。

什么是互斥鎖？

如上所述，信號量是一種信號機(jī)制，類似地，Mutex 是一種鎖定機(jī)制，與信號量不同，信號量具有單獨(dú)的遞增和遞減函數(shù)，但在 Mutex 中，函數(shù)本身接受和給出。這是一種避免共享資源損壞的技術(shù)。

為了保護(hù)共享資源，需要為資源分配一個(gè)令牌卡（互斥體）。擁有這張卡的人可以訪問其他資源。其他人應(yīng)該等到卡歸還。這樣，只有一個(gè)資源可以訪問任務(wù)，其他資源等待機(jī)會。

讓我們通過一個(gè)例子來了解FreeRTOS 中的 Mutex 。

這里我們有三個(gè)任務(wù)，一個(gè)用于在 LCD 上打印數(shù)據(jù)，第二個(gè)用于將 LDR 數(shù)據(jù)發(fā)送到 LCD 任務(wù)，最后一個(gè)任務(wù)用于在 LCD 上發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。所以這里兩個(gè)任務(wù)共享相同的資源，即 LCD。如果 LDR 任務(wù)和溫度任務(wù)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則其中一個(gè)數(shù)據(jù)可能損壞或丟失。

因此，為了防止數(shù)據(jù)丟失，我們需要鎖定 task1 的 LCD 資源，直到它完成顯示任務(wù)。然后 LCD 任務(wù)將解鎖，然后 task2 可以執(zhí)行其工作。

您可以在下圖中觀察互斥量和信號量的工作。

如何在 FreeRTOS 中使用互斥鎖？

互斥量的使用方式也與信號量相同。首先，創(chuàng)建它，然后使用各自的 API 提供和獲取。

創(chuàng)建互斥鎖：

要創(chuàng)建互斥體，請使用xSemaphoreCreateMutex（） API。顧名思義，互斥量是一種二進(jìn)制信號量。它們用于不同的上下文和目的。二進(jìn)制信號量用于同步任務(wù)，而 Mutex 用于保護(hù)共享資源。

此 API 不接受任何參數(shù)并返回SemaphoreHandle_t類型的變量。如果無法創(chuàng)建互斥鎖，則xSemaphoreCreateMutex（）返回 NULL。

SemaphoreHandle_t mutex_v;

mutex_v = xSemaphoreCreateMutex（）;

采取互斥鎖：

當(dāng)任務(wù)想要訪問資源時(shí)，它將使用xSemaphoreTake（） API 獲取 Mutex。它與二進(jìn)制信號量相同。它還需要兩個(gè)參數(shù)。

xSemaphore：在我們的例子中使用的 Mutex 的名稱mutex_v。

xTicksToWait：這是任務(wù)在阻塞狀態(tài)下等待 Mutex 可用的最長時(shí)間。在我們的項(xiàng)目中，我們將 xTicksToWait 設(shè)置為portMAX_DELAY以使 task_1 在 Blocked 狀態(tài)下無限期等待，直到mutex_v可用。

提供互斥鎖：

訪問共享資源后，任務(wù)應(yīng)該返回 Mutex，以便其他任務(wù)可以訪問它。xSemaphoreGive（） API 用于返回 Mutex。

xSemaphoreGive（） 函數(shù)只接受一個(gè)參數(shù)，即在我們的案例 mutex_v 中給出的 Mutex。

使用上述 API，讓我們使用 Arduino IDE 在 FreeRTOS 代碼中實(shí)現(xiàn) Mutex。

互斥代碼說明

這部分的目標(biāo)是使用串行監(jiān)視器作為共享資源和兩個(gè)不同的任務(wù)來訪問串行監(jiān)視器以打印一些消息。

1. 頭文件將保持與信號量相同。

#include  
#include 

2. 聲明一個(gè)SemaphoreHandle_t類型的變量來存儲 Mutex 的值。

SemaphoreHandle_t mutex_v;

3. 在void setup() 中，以 9600 波特率初始化串行監(jiān)視器，并使用xTaskCreate()API 創(chuàng)建兩個(gè)任務(wù)（Task1 和 Task2）。然后使用xSemaphoreCreateMutex()創(chuàng)建一個(gè) Mutex 。創(chuàng)建一個(gè)具有相同優(yōu)先級的任務(wù)，然后嘗試使用這個(gè)數(shù)字。

無效設(shè)置（）{
序列.開始（9600）；
mutex_v = xSemaphoreCreateMutex(); 
if (mutex_v == NULL) { 
Serial.println("無法創(chuàng)建互斥鎖"); 
} 
xTaskCreate(Task1, "任務(wù) 1", 128, NULL, 1, NULL); 
xTaskCreate(Task2, "任務(wù) 2", 128, NULL, 1, NULL); 
}

4. 現(xiàn)在，為Task1 和Task2 制作任務(wù)函數(shù)。在任務(wù)函數(shù)的while循環(huán)中，在串行監(jiān)視器上打印消息之前，我們必須使用xSemaphoreTake()獲取 Mutex ，然后打印消息，然后使用xSemaphoreGive() 返回 Mutex。然后再拖延一些時(shí)間。

void Task1(void *pvParameters) { 
while(1) { 
xSemaphoreTake(mutex_v, portMAX_DELAY); 
Serial.println("來自 Task1 的您好"); 
xSemaphoreGive(mutex_v); 
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); 
} 
}

同理，實(shí)現(xiàn)延遲500ms的Task2函數(shù)。

5. void loop()將保持為空。

現(xiàn)在，將此代碼上傳到 Arduino UNO 并打開串行監(jiān)視器。

您將看到正在從 task1 和 task2 打印消息。

要測試 Mutex 的工作，只需注釋xSemaphoreGive（mutex_v）; 從任何任務(wù)。您可以看到程序掛在最后一條打印消息上。

這就是使用 Arduino 在 FreeRTOS 中實(shí)現(xiàn)信號量和互斥量的方式。

信號量代碼：

#include
#include
長去抖時(shí)間 = 150;
volatile unsigned long last_micros;

SemaphoreHandle_t 中斷信號量；

無效設(shè)置（）{
pinMode(2, INPUT_PULLUP);
xTaskCreate(TaskLed, "Led", 128, NULL, 0, NULL );
xTaskCreate(TaskBlink, "LedBlink", 128, NULL, 0, NULL );
中斷信號量 = xSemaphoreCreateBinary();
如果（中斷信號量！= NULL）{
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), debounceInterrupt, LOW);
}
}

無效循環(huán)（）{}

無效中斷處理程序（）{
xSemaphoreGiveFromISR(interruptSemaphore, NULL);
}

void TaskLed(void *pvParameters)
{
(void) pvParameters；
pinMode（8，輸出）；
為了 （;;） {
if (xSemaphoreTake(interruptSemaphore, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
數(shù)字寫入（8，！數(shù)字讀?。?））；
}
}
}
void TaskBlink(void *pvParameters)
{
(void) pvParameters；
pinMode（7，輸出）；
為了 （;;） {
數(shù)字寫入（7，高）；
vTaskDelay(200 / portTICK_PERIOD_MS);
數(shù)字寫入（7，低）；
vTaskDelay(200 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}
無效去抖中斷（）{
if((long)(micros() - last_micros) >= debouncing_time * 1000) {
中斷處理程序（）；
last_micros = micros();
}
}

互斥體代碼：
#include
#include

SemaphoreHandle_t mutex_v;
無效設(shè)置（）{
序列號.開始（9600）；
mutex_v = xSemaphoreCreateMutex();
if (mutex_v == NULL) {
Serial.println("無法創(chuàng)建互斥鎖");
}
xTaskCreate(Task1, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);
xTaskCreate(Task2, "Task2", 128, NULL, 1, NULL);
}

無效任務(wù)1（無效* pvParameters）{
而（1）{
xSemaphoreTake(mutex_v, portMAX_DELAY);
Serial.println("來自 Task1 的您好");
xSemaphoreGive(mutex_v);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
}
}

void Task2(void *pvParameters) {
而（1）{
xSemaphoreTake(mutex_v, portMAX_DELAY);
Serial.println("來自 Task2 的您好");
xSemaphoreGive(mutex_v);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
}
}

無效循環(huán)（）{
}