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目录
- 1 同步互斥与通信
- 1.1 同步互斥与通信概述
- 1.2 同步与互斥的概念
- 1.3 同步的例子：有缺陷
- 1.4 freertos.c源码
- 3. 互斥的例子：有缺陷
- 4. 通信的例子：有缺陷
- 5. FreeRTOS的解决方案
1 同步互斥与通信
1.1 同步互斥与通信概述
参考《FreeRTOS入门与工程实践(基于DshanMCU-103)》里《第10章 同步互斥与通信》
本章是概述性的内容。可以把多任务系统当做一个团队，里面的每一个任务就相当于团队里的一个人。团队成员之间要协调工作进度(同步)、争用会议室(互斥)、沟通(通信)。多任务系统中所涉及的概念，都可以在现实生活中找到例子。
各类RTOS都会涉及这些概念：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)等。我们先站在更高角度来讲解这些概念。
1.2 同步与互斥的概念
一句话理解同步与互斥：我等你用完厕所，我再用厕所。
什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你等会。 什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你不能进来。
同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，“互斥”操作可以使用“同步”来实现。我“等”你用完厕所，我再用厕所。这不就是用“同步”来实现“互斥”吗？
再举一个例子。在团队活动里，同事A先写完报表，经理B才能拿去向领导汇报。经理B必须等同事A完成报表，AB之间有依赖，B必须放慢脚步，被称为同步。在团队活动中，同事A已经使用会议室了，经理B也想使用，即使经理B是领导，他也得等着，这就叫互斥。经理B跟同事A说：你用完会议室就提醒我。这就是使用"同步"来实现"互斥"。
有时候看代码更容易理解，伪代码如下：
void 抢厕所(void){if (有人在用) 我眯一会;用厕所;喂，醒醒，有人要用厕所吗;}
1.3 同步的例子：有缺陷
程序：在06_create_task_use_params的基础上，修改出12_task_sync_exclusion
创建两个任务：一个用来执行大量的计算任务，另一个永年执行打印函数显示OLED
xTaskCreate( //加返回值是 判断任务有没有创建成功CalcTask, //计算任务"Task1", //声音任务128, //栈大小NULL, //传入的参数 g_Task1InfoosPriorityNormal, //优先级默认NULL //任务句柄 无);
xTaskCreate( //加返回值是 判断任务有没有创建成功LcdPrintTask, //LCD打印任务"Task1", //声音任务128, //栈大小&g_Task2Info, //传入的参数 g_Task1InfoosPriorityNormal, //优先级默认NULL //任务句柄 无);
编写这两个函数
static struct TaskPrintInfo g_Task1Info = {0, 0, "Task1"}; // (0,0),Task1
static struct TaskPrintInfo g_Task2Info = {0, 3, "Task2"}; // (0,3),Task2
static struct TaskPrintInfo g_Task3Info = {0, 6, "Task3"}; // (0,6),Task3static int g_LCDCanUse = 1; //默认=1 能使用LCD
uint32_t g_sum = 0; //定义一个计数值
static volatile int g_calc_end = 0; // 计算结束标志位,使用volatile不要用编译器优化优化uint64_t g_time = 0;void CalcTask(void *params)
{uint32_t i = 0; //定义一个计数值g_time = system_get_ns(); //获取当前系统时间for (i = 0; i < 10000000; i ++){g_sum += i;}g_calc_end = 1; //计算完成标志位 置位g_time = system_get_ns() - g_time; //运行这段任务消耗的时间vTaskDelete(NULL); //计算完成杀死任务
}void LcdPrintTask(void *params)
{int len;while (1){LCD_PrintString(0, 0, "Waiting");// vTaskDelay(3000);while (g_calc_end == 0); //等待/* 打印信息 */if (g_LCDCanUse){g_LCDCanUse = 0;LCD_ClearLine(0, 0);len = LCD_PrintString(0, 0, "Sum: ");LCD_PrintHex(len, 0, g_sum, 1);LCD_ClearLine(0, 2);len = LCD_PrintString(0, 2, "Time(ms): ");LCD_PrintSignedVal(len, 2, g_time/1000000); //打印消耗了多长时间g_LCDCanUse = 1;}vTaskDelete(NULL); //任务自杀}
}
这里遇到了bug！！！
-
程序卡死在while循环里了，但是这个变量已经是1了，为什么程序会卡死在上面两行汇编语句呢？？？
-
原因是编译器优化了我们的变量
对这个变量，执行while (g_calc_end == 0); 这条语句的时候，它会读取内存，把变量的值放到CPU某个寄存器里，以后一直就判断那个寄存器，但是这个寄存器得到的是原始的值，并没有每次都去读取内存
- 这个变量是在其他任务里被修改的，那我们使用这个变量的时候，每次都需要读内存！
- 那怎么办呢？？我们加上一个volatile就可以了
烧录代码运行
计算10000000个数需要2.5S，真的是这样的吗？？？
我们现在有两个任务
他们是怎么调度的呢？
两个任务优先级相同，A任务运行1ms，B任务运行1ms，A任务运行1ms，B任务运行1ms
任务B执行的程序是死等，这也耗费了一半的时间，在任务B的开始就等待3S左右
vTaskDelay(3000); //开始的时候我先等待3000Tick
加上这句等待3S之后，就变成了1278ms
确实如此
这个死循环可以用其他方法来代替
- 等任务A计算完成之后，用任务A唤醒任务B
- 使用同步的时候，我们需要考虑如何提高处理器的性能！
- 让等待的任务阻塞，不参与CPU的调度！
这节课学习了同步的例子，有缺陷的例子
学习视频：【FreeRTOS入门与工程实践 --由浅入深带你学习FreeRTOS（FreeRTOS教程 基于STM32，以实际项目为导向）】 【精准空降到 13:38】 https://www.bilibili.com/video/BV1Jw411i7Fz/?p=25&share_source=copy_web&vd_source=8af85e60c2df9af1f0fd23935753a933&t=818
1.4 freertos.c源码
/* USER CODE BEGIN Header */
#include "driver_led.h"
#include "driver_lcd.h"
#include "driver_mpu6050.h"
#include "driver_timer.h"
#include "driver_ds18b20.h"
#include "driver_dht11.h"
#include "driver_active_buzzer.h"
#include "driver_passive_buzzer.h"
#include "driver_color_led.h"
#include "driver_ir_receiver.h"
#include "driver_ir_sender.h"
#include "driver_light_sensor.h"
#include "driver_ir_obstacle.h"
#include "driver_ultrasonic_sr04.h"
#include "driver_spiflash_w25q64.h"
#include "driver_rotary_encoder.h"
#include "driver_motor.h"
#include "driver_key.h"
#include "driver_uart.h"
#include "music.h"/********************************************************************************* File Name : freertos.c* Description : Code for freertos applications******************************************************************************* @attention** Copyright (c) 2023 STMicroelectronics.* All rights reserved.** This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file* in the root directory of this software component.* If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.********************************************************************************/
/* USER CODE END Header *//* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes *//* USER CODE END Includes *//* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD *//* USER CODE END PTD *//* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD *//* USER CODE END PD *//* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM *//* USER CODE END PM *//* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Variables */BaseType_t ret; // long
static TaskHandle_t xSoundTaskHandle; // void * 在全局变量里记录句柄static StackType_t g_pucStackOfLightTask[128]; // 变量前缀的意思是 全局变量g 指针p uint8_t类型uc的StackOfLightTask 光任务的栈
StaticTask_t g_TCBofLightTask; // 光任务的TCB
static TaskHandle_t xLightTaskHandle; // void * 在全局变量里记录句柄static StackType_t g_pucStackOfColorTask[128]; // 变量前缀的意思是 全局变量g 指针p uint8_t类型uc的StackOfLightTask 色任务的栈
StaticTask_t g_TCBofColorTask; // 色任务的TCB
static TaskHandle_t xColorTaskHandle; // void * 在全局变量里记录句柄/* USER CODE END Variables */
/* Definitions for defaultTask */
osThreadId_t defaultTaskHandle;
const osThreadAttr_t defaultTask_attributes = {.name = "defaultTask",.stack_size = 128 * 4,.priority = (osPriority_t) osPriorityNormal,
};/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN FunctionPrototypes */struct TaskPrintInfo{uint8_t x; //定义坐标xuint8_t y; //定义坐标ychar name[16]; //定义要打印输出的内容，最多显示16个字符
};static struct TaskPrintInfo g_Task1Info = {0, 0, "Task1"}; // (0,0),Task1
static struct TaskPrintInfo g_Task2Info = {0, 3, "Task2"}; // (0,3),Task2
static struct TaskPrintInfo g_Task3Info = {0, 6, "Task3"}; // (0,6),Task3static int g_LCDCanUse = 1; //默认=1 能使用LCD
uint32_t g_sum = 0; //定义一个计数值
static volatile int g_calc_end = 0; // 计算结束标志位,使用volatile不要用编译器优化优化uint64_t g_time = 0;void CalcTask(void *params)
{uint32_t i = 0; //定义一个计数值g_time = system_get_ns(); //获取当前系统时间for (i = 0; i < 10000000; i ++){g_sum += i;}g_calc_end = 1; //计算完成标志位 置位g_time = system_get_ns() - g_time; //运行这段任务消耗的时间vTaskDelete(NULL); //计算完成杀死任务
}void LcdPrintTask(void *params)
{int len;while (1){LCD_PrintString(0, 0, "Waiting");vTaskDelay(3000); //开始的时候我先等待3000Tickwhile (g_calc_end == 0); //等待/* 打印信息 */if (g_LCDCanUse){g_LCDCanUse = 0;LCD_ClearLine(0, 0);len = LCD_PrintString(0, 0, "Sum: ");LCD_PrintHex(len, 0, g_sum, 1);LCD_ClearLine(0, 2);len = LCD_PrintString(0, 2, "Time(ms): ");LCD_PrintSignedVal(len, 2, g_time/1000000); //打印消耗了多长时间g_LCDCanUse = 1;}vTaskDelete(NULL); //任务自杀}
}
/* USER CODE END FunctionPrototypes */void StartDefaultTask(void *argument);void MX_FREERTOS_Init(void); /* (MISRA C 2004 rule 8.1) *//*** @brief FreeRTOS initialization* @param None* @retval None*/
void MX_FREERTOS_Init(void) {/* USER CODE BEGIN Init */LCD_Init();LCD_Clear();/* USER CODE END Init *//* USER CODE BEGIN RTOS_MUTEX *//* add mutexes, ... *//* USER CODE END RTOS_MUTEX *//* USER CODE BEGIN RTOS_SEMAPHORES *//* add semaphores, ... *//* USER CODE END RTOS_SEMAPHORES *//* USER CODE BEGIN RTOS_TIMERS *//* start timers, add new ones, ... *//* USER CODE END RTOS_TIMERS *//* USER CODE BEGIN RTOS_QUEUES *//* add queues, ... *//* USER CODE END RTOS_QUEUES *//* Create the thread(s) *//* creation of defaultTask */// defaultTaskHandle = osThreadNew(StartDefaultTask, NULL, &defaultTask_attributes);/* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS *//* add threads, ... */// /* 创建任务：声 */
// // 先创建一个动态分配内存的任务
// ret = xTaskCreate( //加返回值是 判断任务有没有创建成功
// PlayMusic, //孤勇者的函数
// "SoundTask", //声音任务
// 128, //栈大小
// NULL, //无传入的参数
// osPriorityNormal, //优先级默认
// & xSoundTaskHandle //任务句柄
// );//
// /* 创建任务：光 */
// // 创建一个静态分配内存的任务
// xLightTaskHandle = xTaskCreateStatic(
// Led_Test, //LED测试函数，PC13以500ms间隔亮灭一次
// "LightTask", //光任务
// 128, //栈大小，这里提供了栈的大小（长度）
// NULL, //无传入的参数
// osPriorityNormal, //优先级默认
// g_pucStackOfLightTask, // 静态分配的栈，一个buffer，这里只提供了首地址，长度就是栈的大小，最开始栈的类型不对，栈的类型uint32_t
// &g_TCBofLightTask // 取址TCB
// );
//
// /* 创建任务：色 */
// xColorTaskHandle = xTaskCreateStatic(
// ColorLED_Test, //LED测试函数，PC13以500ms间隔亮灭一次
// "ColorTask", //光任务
// 128, //栈大小，这里提供了栈的大小（长度）
// NULL, //无传入的参数
// osPriorityNormal, //优先级默认
// g_pucStackOfColorTask, // 静态分配的栈，一个buffer，这里只提供了首地址，长度就是栈的大小
// &g_TCBofColorTask // 取址TCB
// );xTaskCreate( //加返回值是 判断任务有没有创建成功CalcTask, //计算任务"Task1", //声音任务128, //栈大小NULL, //传入的参数 g_Task1InfoosPriorityNormal, //优先级默认NULL //任务句柄 无);xTaskCreate( //加返回值是 判断任务有没有创建成功LcdPrintTask, //LCD打印任务"Task1", //声音任务128, //栈大小&g_Task2Info, //传入的参数 g_Task1InfoosPriorityNormal, //优先级默认NULL //任务句柄 无);/* USER CODE END RTOS_THREADS *//* USER CODE BEGIN RTOS_EVENTS *//* add events, ... *//* USER CODE END RTOS_EVENTS */
}
/* USER CODE BEGIN Header_StartDefaultTask *//*** @brief Function implementing the defaultTask thread.* @param argument: Not used* @retval None*/
/* USER CODE END Header_StartDefaultTask */
void StartDefaultTask(void *argument)
{/* USER CODE BEGIN StartDefaultTask *//* Infinite loop */LCD_Init();LCD_Clear();for(;;){//Led_Test();//LCD_Test();//MPU6050_Test(); //DS18B20_Test();//DHT11_Test();//ActiveBuzzer_Test();//PassiveBuzzer_Test();//ColorLED_Test();IRReceiver_Test(); //影//IRSender_Test();//LightSensor_Test();//IRObstacle_Test();//SR04_Test();//W25Q64_Test();//RotaryEncoder_Test();//Motor_Test();//Key_Test();//UART_Test();}/* USER CODE END StartDefaultTask */
}/* Private application code --------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Application *//* USER CODE END Application */
3. 互斥的例子：有缺陷
讲解这个程序"06_create_task_use_params"的互斥缺陷。
4. 通信的例子：有缺陷
5. FreeRTOS的解决方案
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正确性
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效率：等待者要进入阻塞状态
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多种解决方案