【小黑嵌入式系统第十四课】μC/OS-III程序设计基础（三）——信号量（任务同步&资源同步）、事件标记组（与&或&多个任务）

深碍√TFBOYSˉ_ 2024-05-31 04:22 61阅读 0赞

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#### 文章目录 ####

*   *  1 信号量
     *   *  1.1 简介
         *  1.2 任务间同步
         *  1.3 ISR与任务同步
         *  1.4 资源同步
         *   *  例：银行柜台
         *  1.5 任务信号量
     *  2 事件标志组
     *   *  2.1 简介
         *  2.2 标志“与”
         *  2.3 标志“或”
         *  2.4 同步多个任务

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### 1 信号量 ###

#### 1.1 简介 ####

在实时多任务系统中，**信号量**（semaphore）被广泛用于：任务间对共享资源的互斥，但更多地是用于任务和中断服务程序之间的同步、任务之间的同步。

![在这里插入图片描述][8bb189a0890b41828c6515a946525db9.png_pic_center]  
**N**为信号量值，表示发布信号量的次数累计值。  
信号量用于任务-任务（或任务-ISR）间同步时，N表示事件已发生了多少次。  
信号量用于资源共享时，N表示资源还可被多少个任务同时使用。

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当任务（或ISR）调用`OSSemPost()`函数发送信号量时：  
![在这里插入图片描述][7eb1c2d1381a4ab8b240a3e218c0145f.png]  
任务（或ISR）可以多次调用`OSSemPost()`函数发送信号量。

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当信号量值大于0，任务调用`OSSemPend()`函数接收信号量时：

![在这里插入图片描述][a63102fa66104d01922b6598da369092.png]

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当信号量值等于0，任务调用`OSSemPend()`函数接收信号量时：

![在这里插入图片描述][c25063995ae14b7582252f051d26c02c.png]

注意：μC/OS-III不允许在中断服务程序中等待信号量。

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前面章节我们学习了互斥信号量，下面对计数型信号量与互斥信号量做一个对比。

![在这里插入图片描述][e989d27ee9e348d6bc0b0ea2d2a67f4c.png_pic_center]

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#### 1.2 任务间同步 ####

在实际的应用中，常用信号量实现任务间的同步，`OSSemPend()`和`OSSemPost()`会出现在不同任务中，但不一定成对出现。

![在这里插入图片描述][75c6e4a32bd4430f87b69c6d17a354e6.png_pic_center]

注意：在实际的应用中，还有多对多、一对多信号量操作的情况，但很不常见，建议不要设计出这样的操作方式，这样会带来很多的麻烦。

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用来实现任务间同步的信号量在创建时赋给初始值，一般为0，表示事件还未发生，初始值在`OSSemCreate()`函数中指定。

![在这里插入图片描述][1e22a0b2984e4cd3a3739e81f7e1d3db.png]

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让一个LED以0.5Hz的频率闪烁，每按键一次，LED闪烁一次。

我们通过此例来说明如何使用信号量实现任务间同步，两个任务处理流程如下。

![在这里插入图片描述][cbcbeb1665c245b3b5af28532c7d0b76.png]

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`TaskKEY`任务主要代码如下。

![在这里插入图片描述][5bb7ece2326e41d4a3e553fa09fab576.png]

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`TaskLED`任务主要代码如下。

![在这里插入图片描述][b80facedd9fb4e19a6bad76cfdde4e18.png]

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#### 1.3 ISR与任务同步 ####

下面以示例来说明如何现实ISR与任务间同步。假设定时器1中断服务程序发送信号量，任务完成了信号量的创建并在接收到信号量后让蜂鸣器响一声。处理流程如下。

![在这里插入图片描述][b523c24c888d412b8b6492ba0fe9211a.png]

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中断服务程序ISR示例代码如下。

![在这里插入图片描述][1db78b8225544a3cbad5c2628dcf67b8.png]

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蜂鸣器报警任务示例代码如下。

![在这里插入图片描述][c8cf2da7f3bb40aab1de6bb779fb4434.png]

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#### 1.4 资源同步 ####

在嵌入式系统中，可以使用信号量访问共享资源来实现资源同步。在使用时，注意发送信号量函数`OSSemPost()`与等待信号量函数`OSSemPend()`必须成对出现在同一个任务调用的函数中，才能实现资源同步（这与互斥信号量使用方式一致）。

在使用信号量做资源共享时，只有任务才能使用信号量，而中断服务程序则不可以。（注意对照前面所述，在使用信号量做ISR与任务间同步时，ISR可以给任务发送信号量，但不能做其它的信号量操作）

计数型信号量用于某共享资源可以同时为几个任务所用时，这是互斥型信号量不能处理的（互斥信号量是二值的）。

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##### 例：银行柜台 #####

某银行有N个柜台可以为客户服务，设置信号量值为N（或者银行同时可以为N个用户服务）

![在这里插入图片描述][65d6c8ff74344882af8bf73f05fa66a9.png]  
![在这里插入图片描述][81cf9f077ecb4270b4fbe0a6fc4f398b.png]  
![在这里插入图片描述][e4cf8560d1154573843511fc3c687e53.png]

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为了说明使用信号量访问共享资源实现资源同步，设计两个任务，它们以不同的频率让LED点亮30个时钟节拍，然后熄灭60个时钟节拍，要求这两个任务不会互相干扰。下面是两个任务的处理流程。

![在这里插入图片描述][c51c6124f8ed4eb89563b838557c479d.png]

为了实现资源同步，我们需要保证`OSSemPost()`与`OSSemPend()`成对在同一个任务函数中调用，所以我们可以编写一个函数`LED()`供两个任务调用，代码如下。

![在这里插入图片描述][a8be4d69be5f413195d4c11226bbe784.png]

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下面给出两个LED任务的主要处理代码。

![在这里插入图片描述][46f90a97e4e94297ab59749e5e778f20.png]

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#### 1.5 任务信号量 ####

在μC/OS-III中，每个任务都有它自己的内嵌信号量，称为**任务信号量**。任务信号量是在任务创建`OSTaskCreate()`时创建的，因此任务创建之后便可以直接使用。

任务信号量使用起来更方便，且速度比一般信号量要快。

当事件发生时，用户若明确知道该给哪个任务发信号，此时就可以使用任务信号量。

![在这里插入图片描述][8446dd97e93848a1a1a2464b15ddc57b.png]

μC/OS-III中的任务信号量服务函数以`OSTaskSem???()`命名。

![在这里插入图片描述][06fbaf77d4114c65a691824d759d6852.png]

*  如`OSTaskSemPend()`，它在任务信号量所属任务中调用。（无任务控制块参数需传递）

![在这里插入图片描述][3127c3577619408585133070f36502ca.png]

*  如OSTaskSemPost()，它在另一任务或ISR中调用。（需指定任务信号量所属任务的任务控制块参数，即发送(给)哪个任务的任务信号量）

![在这里插入图片描述][db9b9116520a4c8d9594f538514e6c7e.png]

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### 2 事件标志组 ###

#### 2.1 简介 ####

当任务要与多个事件的发生同步时，可以使用事件标志组。一个事件标志就是一个二值信号，事件标志组是若干二值信号的组合。

用事件标志组来做任务同步分为独立型同步（“或”同步）和关联型同步（“与”同步）。设一个任务与3个事件标志有关，如下图。

![在这里插入图片描述][db096c3272854390939bf00d35b78598.png]  
![在这里插入图片描述][8c653e54f9ba4670a6986fc7053caac1.png]

可以用多个事件的组合，发信号给多个任务，典型的有8个、16个或32个事件可以组合在一起（由os\_type.h中的OS\_FLAGS数据类型定义事件标志位数）。

![在这里插入图片描述][ea06bd0385ed43bd8f2332daf85cbebc.png]

**注意**：系统在一组新事件发生后判断是否有任务接收到需求的标志，在收到标志后进行任务状态切换。

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#### 2.2 标志“与” ####

为了说明如何使用标志事件组实现任务与若干个事件同步，我们设计一个系统，当时间到且独立按健被按下后，让LED1闪烁一下。三个任务的处理流程如图。

![在这里插入图片描述][58a991f45f0941bbb44f77bee4862797.png]

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`TaskKEY`任务主要代码如下。

![在这里插入图片描述][3d60049b44dd461490b483f4dc915cf3.png]

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`TaskDly`任务主要代码如下。

![在这里插入图片描述][3b6c3053c8014a65b30c0044cd3192b5.png]

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`TaskLED`任务主要代码如下。

![在这里插入图片描述][50b821e763e941fdbefc6c8c1b5feb69.png]

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#### 2.3 标志“或” ####

为了说明如何使用标志事件组实现任务与任何事件之一同步，我们设计一个系统，当时间到或独立按健被按下后，让LED1闪烁一下。三个任务的处理流程如图。

![在这里插入图片描述][2ea114bd4e624b35878cd556b851fc46.png]

**注意**：标志“或”和标志“与”操作只在等待标志的LED任务有所不同，其余都相同。

由于发送标志的两个任务代码和标志“与”操作的相同，这里不做重复。标志“或”中的 `TaskLED`任务主要代码如下。

![在这里插入图片描述][90388bde660c48fdb40bc8a6cd538910.png]

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#### 2.4 同步多个任务 ####

有些时候需要使多个任务“同时”开始执行（将它们执行的起点同步到同一时刻），通过广播信号量来同步多个任务是一种常用的技术。

但当进行广播操作时，一些要同步的任务可能没有在等待信号量，解决该问题的方法是将信号量和事件标志组联合起来使用。

![在这里插入图片描述][c4fa73da1d494c43ab5c28d8c7abc45c.png]  
(1) 每个待同步的任务都需要先将一个事件标志位置位；  
(2) 然后等待信号量的发布。  
(3) 进行信号量广播的任务必须在所有事件标志位都被置位后，  
(4) 才能发布信号量。

该方法要求左边任务优先级比右边任务优先级都低。否则对于右边的最后一个执行`OSFlagPost()`的任务，在它尚未执行`OSSemPend()`之前，左边任务就将发送信号量。

[PSoC 5LP]: https://blog.csdn.net/Goforyouqp/article/details/135174439
[Link 1]: https://www.captainbed.cn/xq
[8bb189a0890b41828c6515a946525db9.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/05/31/6bb35082f476420d94a641ae6d30e969.png
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