FreeRTOS研究ノート（5）-ミューテックス

その他 2021-01-28 12:26:56 訪問数: null

1つは、ヘッダーファイルです。

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

2、相互排除

2.1基本概念

相互排除セマフォ（本質的にはセマフォ）としても知られるミューテックスは、ミューテックスの所有権、再帰的アクセス、および優先順位の逆転を防ぐ機能をサポートするという点でセマフォとは異なる、特別なバイナリセマフォです。リソース。ミューテックスの状態は、ロック解除またはロックの2つだけです。ミューテックスがタスクによって保持されている場合、ミューテックスはロック状態にあり、タスクはミューテックスの所有権を取得します。タスクがミューテックスを解放すると、ミューテックスはロック解除された状態になり、タスクはミューテックスの所有権を失います。タスクがミューテックスを保持している場合、他のタスクはミューテックスのロックを解除または保持できなくなります。ミューテックスを保持しているタスクは、一時停止せずに再度ロックを取得することもできます。これは、再帰的ミューテックスの特性である再帰的アクセスです。この特性は、一般的なセマフォとは大きく異なります。で、使用可能なセマフォがないため、タスクがセマフォを再帰的に取得すると、タスクはアクティブに中断され、最終的にデッドロックになります。

同期（タスク間またはタスクと割り込み間）の実装に使用する場合は、バイナリセマフォの方が適している場合があります。ただし、タスクと割り込みの同期ミューテックスはタスクとタスクにも使用できますが、相互排除はよりインターロックです。リソースを保護するために使用されます。

インターロックに使用されるミューテックスは、リソースを保護するためのトークンとして機能できます。タスクが特定のリソースにアクセスする場合は、最初にトークンを取得する必要があります。タスクがリソースの使用を終了すると、他のタスクがリソースにアクセスできるようにトークンを返す必要があります。非常に馴染みがありますか？重要なリソースを保護し、マルチタスクへの秩序あるアクセスを確保するために使用されるバイナリセマフォでも同じです。タスクがセマフォを取得した場合にのみ、保護されたリソースの使用を開始し、使い果たされたときにセマフォを解放できます。次のタスクは、保護されたリソースを使用できるようにセマフォを取得できます。しかし、セマフォが引き起こす可能性のあるもう1つの潜在的な問題は、タスクの優先順位の逆転です。FreeRTOSが提供するミューテックスは、優先度継承アルゴリズムを使用して、優先順位の逆転の問題の影響を減らすことができます。したがって、重要なリソースを保護するためにミューテックスを使用することをお勧めします。

2.2操作メカニズム


ミューテックスを使用して異なるタスクによる重要なリソースへの同時アクセスを処理する場合、タスクはミューテックスを取得する場合にのみリソースにアクセスできます。タスクがミューテックスを正常に取得すると、ミューテックスはすぐにロックされます。他のタスクはアクセスできなくなります。ミューテックスを取得できないため、このリソース。タスクはユーザー定義の待機時間に従って待機します。保留中のタスクによってミューテックスが解放された後、他のタスクがミューテックスを取得してアクセスできるようになります。この時点で重要なリソースは、ミューテックスは再びロックされるため、常に1つのタスクのみが重要なリソースにアクセスし、重要なリソース操作の安全性が確保されます。

2.3ミューテックスと再帰的ミューテックス

  • ミューテックスは、優先順位の逆転を引き起こす可能性のある状況に適しています。
  • 再帰的ミューテックスは、タスクがミューテックスを複数回取得する可能性がある状況に適しています。これにより、同じタスクを複数回再帰的に保持することによって引き起こされるデッドロックを回避できます。

3.関連するAPIの説明

3.1 xSemaphoreCreateMutex

ミューテックスを作成し、ミューテックスハンドルを返すために使用されます。

関数 #define xSemaphoreCreateMutex（）xQueueCreateMutex（queueQUEUE_TYPE_MUTEX）
パラメータ 番号
戻り値 ミューテックスハンドル

この機能を使用するにFreeRTOSConfig.hは、configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION有効にするために定義されている必要があります。

同時に、有効FreeRTOSConfig.hにするためにconfigUSE_MUTEXES定義されている必要があります。

3.2 xSemaphoreCreateRecursiveMutex

再帰的ミューテックスの作成に使用されます。再帰的ではないミューテックスは、関数xSemaphoreCreateMutex（）またはxSemaphoreCreateMutexStatic（）によって作成され、同じタスクで1回だけ取得できます。同じタスクで再度取得する場合は、失敗します。 。再帰セマフォは逆で、同じタスクで何度も取得でき、取得した回数だけ解放する必要があります。ミューテックスのような再帰的セマフォは、優先度継承メカニズムを実装します。これにより、優先順位の逆転の発生率を減らすことができます。

関数 #define xSemaphoreCreateRecursiveMutex（）xQueueCreateMutex（queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX）
パラメータ 番号
戻り値 再帰的ミューテックスハンドル

この機能を使用するにFreeRTOSConfig.hは、configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION有効にするために定義されている必要があります。

同時に、有効FreeRTOSConfig.hにするためにconfigUSE_RECURSIVE_MUTEXES定義されている必要があります。

3.3 vSemaphoreDelete

バイナリセマフォ、カウントセマフォ、ミューテックス、再帰
ミューテックスなどのセマフォを削除するために使用されます。セマフォでブロックされているタスクがある場合は、セマフォを削除しないでください。

関数 void vSemaphoreDelete（SemaphoreHandle_t xSemaphore）
パラメータ xSemaphore：セマフォハンドル
戻り値 番号

3.4xSemaphoreTake

割り込み保護なしでセマフォを取得するために使用されます。取得されるセマフォオブジェクトは、セマフォとミューテックスをカウントするバイナリセマフォにすることができますが、このAPI関数を使用して再帰的ミューテックスを取得することはできません。

関数 xSemaphoreTake（SemaphoreHandle_t xSemaphore、TickType_t xBlockTime）
パラメータ xSemaphore：セマフォハンドル
xBlockTime：セマフォが使用可能になるのを待機するための最大タイムアウト時間（ティック単位）（つまり、システムティック期間）。マクロINCLUDE_vTaskSuspendが1として定義され、仮パラメーターxTicksToWaitがportMAX_DELAYに設定されている場合、タスクは常にセマフォでブロックされます（つまり、タイムアウト期間はありません）。
戻り値 成功した場合はpdTRUEを返し、それ以外の場合はerrQUEUE_EMPTYを返します。

3.5 xSemaphoreTakeRecursive

再帰的ミューテックスの取得に使用されるマクロは、ミューテックス取得関数と同じです。xSemaphoreTakeRecursive（）もマクロ定義であり、最終的に既存のキューメカニズムを使用します。実際の実行関数はxQueueTakeMutexRecursive（）です。再帰的ミューテックスを取得する前に、関数xSemaphoreCreateRecursiveMutex（）で作成する必要があります。この関数を使用して、関数xSemaphoreCreateMutex（）によって作成されたミューテックスを取得することはできないことに注意してください。

関数 #define xSemaphoreTakeRecursive（xMutex、xBlockTime）xQueueTakeMutexRecursive（（xMutex）、（xBlockTime））
パラメータ xMutex：セマフォハンドル
xBlockTime：無効なミューテックスを取得するためにミューテックスを保持するタスクでない場合、タスクはユーザーがタイムアウト期間をティック単位で指定するのを待ちます（つまり、システムティック期間）。マクロINCLUDE_vTaskSuspendが1として定義され、仮パラメーターxTicksToWaitがportMAX_DELAYに設定されている場合、タスクは常に再帰ミューテックスでブロックされます（つまり、タイムアウトはありません）。
戻り値 成功した場合はpdTRUEを返し、それ以外の場合はerrQUEUE_EMPTYを返します。

この機能を使用するにFreeRTOSConfig.hは、configUSE_RECURSIVE_MUTEXES有効にするために定義されている必要があります。

3.6xSemaphoreGive

セマフォを解放するために使用されるマクロ。リリースされたセマフォオブジェクトは作成されている必要があり、バイナリセマフォ、カウントセマフォ、およびミューテックスのリリースに使用できますが、関数xSemaphoreCreateRecursiveMutex（）によって作成された再帰ミューテックスをリリースすることはできません。また、この機能は割り込みには使用できません。

関数 xSemaphoreGive（SemaphoreHandle_t xSemaphore）
パラメータ xSemaphore：セマフォハンドル
戻り値 成功した場合はpdTRUEを返し、それ以外の場合はpdFALSEを返します。

3.7 xSemaphoreGiveRecursive

再帰的ミューテックスを解放するために使用されます。再帰的ミューテックスをすでに取得しているタスクは、再帰的ミューテックスを繰り返し取得できます。xSemaphoreTakeRecursive（）関数を使用して再帰ミューテックスを数回正常に取得する場合は、xSemaphoreGiveRecursive（）関数を使用してそれを数回返す必要があります。それ以前は、再帰ミューテックスが無効な状態にあり、他のタスクは再帰ミューテックスを取得できません。ミューテックス。この関数インターフェースを使用する場合、ミューテックスの所有権を持つタスクのみが解放できます。再帰ミューテックスが解放されるたびに、そのカウント値は1ずつ減少します。ミューテックスのカウント値が0の場合（つまり、保持タスクがすべての保持操作を解放した場合）、ミューテックスはロック解除され、ミューテックスを待機しているタスクがウェイクアップされます。ミューテックスの優先順位の逆転メカニズムによってタスクの優先順位が一時的に上げられた場合、ミューテックスが解放されると、タスクの優先順位は最初に設定された優先順位に戻ります。

関数 #define xSemaphoreGiveRecursive（xMutex）xQueueGiveMutexRecursive（（xMutex））
パラメータ xMutex：セマフォハンドル
戻り値 成功した場合はpdTRUEを返し、それ以外の場合はpdFALSEを返します。

この機能を使用するにFreeRTOSConfig.hは、configUSE_RECURSIVE_MUTEXES有効にするために定義されている必要があります。

4、例

/* FreeRTOS 头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
/* 开发板硬件 bsp 头文件 */
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "bsp_key.h"
/**************************** 任务句柄 ********************************/
/*
* 任务句柄是一个指针，用于指向一个任务，当任务创建好之后，它就具有了一个任务句柄
* 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄，如果是自身的任务操作自己，那么
* 这个句柄可以为 NULL。
*/
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;/* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t LowPriority_Task_Handle = NULL;/* LowPriority_Task 任务句柄 */
static TaskHandle_t MidPriority_Task_Handle = NULL;/* MidPriority_Task 任务句柄 */
static TaskHandle_t HighPriority_Task_Handle = NULL;/* HighPriority_Task 任务句柄 */
 
/***************************** 内核对象句柄 *****************************/
/*
* 信号量，消息队列，事件标志组，软件定时器这些都属于内核的对象，要想使用这些内核
* 对象，必须先创建，创建成功之后会返回一个相应的句柄。实际上就是一个指针，后续我
* 们就可以通过这个句柄操作这些内核对象。
*
* 内核对象说白了就是一种全局的数据结构，通过这些数据结构我们可以实现任务间的通信，
* 任务间的事件同步等各种功能。至于这些功能的实现我们是通过调用这些内核对象的函数
* 来完成的
*
*/
SemaphoreHandle_t MuxSem_Handle = NULL;

static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */ 
static void LowPriority_Task(void* pvParameters);/* LowPriority_Task 任务实现 */
static void MidPriority_Task(void* pvParameters);/* MidPriority_Task 任务实现 */
static void HighPriority_Task(void* pvParameters);/* HighPriority_Task 任务实现 */

static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */

int main(void)
{
    
    
    BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */

    /* 开发板硬件初始化 */
    BSP_Init();
    /* 创建 AppTaskCreate 任务 */
    xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate,/* 任务入口函数 */
                          (const char* )"AppTaskCreate",/* 任务名字 */
                          (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
                          (void* )NULL,/* 任务入口函数参数 */
                          (UBaseType_t )1, /* 任务的优先级 */
                          (TaskHandle_t*)&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针 */
    /* 启动任务调度 */
    if (pdPASS == xReturn)
    {
    
    
        vTaskStartScheduler(); /* 启动任务，开启调度 */
    }
    else
    {
    
    
        return -1;
    } 

    while (1); /* 正常不会执行到这里 */
}

/***********************************************************************
* @ 函数名 ： AppTaskCreate
* @ 功能说明： 为了方便管理，所有的任务创建函数都放在这个函数里面
* @ 参数 ： 无
* @ 返回值 ： 无
***************************************************************/
static void AppTaskCreate(void)
{
    
    
    BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */
  
    taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
   
    /* 创建 MuxSem */ 
    MuxSem_Handle = xSemaphoreCreateMutex();
    if (NULL != MuxSem_Handle) 
    {
    
    
        printf("MuxSem_Handle 互斥量创建成功!\r\n"); 
    }

    xReturn = xSemaphoreGive( MuxSem_Handle );//给出互斥量
  
    /* 创建 LowPriority_Task 任务 */
    xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LowPriority_Task,/* 任务入口函数 */
                          (const char* )"LowPriority_Task",/* 任务名字 */
                          (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
                          (void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
                          (UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
                          (TaskHandle_t* )&LowPriority_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
    if (pdPASS == xReturn)
    {
    
    
        printf("创建 LowPriority_Task 任务成功!\r\n");
    }
  
    /* 创建 MidPriority_Task 任务 */
    xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )MidPriority_Task,/* 任务入口函数 */
                          (const char* )"MidPriority_Task",/* 任务名字 */
                          (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
                          (void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
                          (UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
                          (TaskHandle_t* )&MidPriority_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
    if (pdPASS == xReturn)
    {
    
    
        printf("创建 MidPriority_Task 任务成功!\r\n");
    }

    /* 创建 HighPriority_Task 任务 */
    xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )HighPriority_Task,/* 任务入口函数 */
                          (const char* )"HighPriority_Task",/* 任务名字 */
                          (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
                          (void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
                          (UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
                          (TaskHandle_t* )&HighPriority_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
    if (pdPASS == xReturn)
    {
    
    
        printf("创建 HighPriority_Task 任务成功!\r\n");
    }

    vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除 AppTaskCreate 任务
    
    taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
}

/**********************************************************************
* @ 函数名 ： LowPriority_Task
* @ 功能说明： LowPriority_Task 任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void LowPriority_Task(void* parameter) 
{
    
     
    static uint32_t i; 
    BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */ 
    while (1) 
    {
    
     
        printf("LowPriority_Task 获取信号量\n"); 
        //获取互斥量 MuxSem,没获取到则一直等待 
        xReturn = xSemaphoreTake(MuxSem_Handle,/* 互斥量句柄 */ 
                                portMAX_DELAY); /* 等待时间 */ 
        if (pdTRUE == xReturn) 
        {
    
    
            printf("LowPriority_Task Runing\n\n"); 
        }

        for (i=0; i<2000000; i++) 
        {
    
     //模拟低优先级任务占用互斥量 
            taskYIELD();//发起任务调度 
        } 

        printf("LowPriority_Task 释放信号量!\r\n"); 
        xReturn = xSemaphoreGive( MuxSem_Handle );//给出互斥量 

        LED1_TOGGLE; 

        vTaskDelay(1000); 
    }
} 

/**********************************************************************
* @ 函数名 ： MidPriority_Task
* @ 功能说明： MidPriority_Task 任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void MidPriority_Task(void* parameter) 
{
    
     
    while (1) 
    {
    
     
        printf("MidPriority_Task Runing\n"); 
        vTaskDelay(1000); 
    } 
}

/**********************************************************************
* @ 函数名 ： HighPriority_Task
* @ 功能说明： HighPriority_Task 任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void HighPriority_Task(void* parameter) 
{
    
     
    BaseType_t xReturn = pdTRUE;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */ 
    while (1) 
    {
    
     
        printf("HighPriority_Task 获取信号量\n"); 
        //获取互斥量 MuxSem,没获取到则一直等待 
        xReturn = xSemaphoreTake(MuxSem_Handle,/* 互斥量句柄 */ 
                                portMAX_DELAY); /* 等待时间 */ 
        if (pdTRUE == xReturn) 
        {
    
    
            printf("HighPriority_Task Runing\n"); 
        }
        LED1_TOGGLE; 
  
        printf("HighPriority_Task 释放信号量!\r\n"); 
        xReturn = xSemaphoreGive( MuxSem_Handle );//给出互斥量  
   
        vTaskDelay(1000); 
    }
} 

/***********************************************************************
* @ 函数名 ： BSP_Init
* @ 功能说明： 板级外设初始化，所有板子上的初始化均可放在这个函数里面
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
*********************************************************************/
static void BSP_Init(void)
{
    
    
    /*
    * STM32 中断优先级分组为 4，即 4bit 都用来表示抢占优先级，范围为：0~15
    * 优先级分组只需要分组一次即可，以后如果有其他的任务需要用到中断，
    * 都统一用这个优先级分组，千万不要再分组，切忌。
    */
    NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
   
    /* LED 初始化 */
    LED_GPIO_Config();
  
    /* 串口初始化 */
    USART_Config();
   
    /* 按键初始化 */
    Key_GPIO_Config();     
}

• 2020年11月23日にLeungによって書かれました

•リファレンス：WildfireFreeRTOSビデオおよびPDFチュートリアル

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転載: blog.csdn.net/qq_36347513/article/details/110003247
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