利用STM32CubeMX和Keil模拟器，3天入门FreeRTOS（5.3） ——递归锁

news2024/11/24 9:07:06

前言

（1）FreeRTOS是我一天过完的，由此回忆并且记录一下。个人认为，如果只是入门，利用STM32CubeMX是一个非常好的选择。学习完本系列课程之后，再去学习网上的一些其他课程也许会简单很多。
（2）本系列课程是使用的keil软件仿真平台，所以对于没有开发板的同学也可也进行学习。
（3）叠甲，再次强调，本系列课程仅仅用于入门。学习完之后建议还要再去寻找其他课程加深理解。
（4）本系列博客对应代码仓库：gitee仓库

前期准备

（1）复制上一篇博客的工程下来

在这里插入图片描述

实战

使用STM32CubeMX创建递归锁

（1）按照如下步骤

在这里插入图片描述

使用keil端创建递归锁

（1）创建递归锁（按Ctrl+F搜索add mutexes）

  /* USER CODE BEGIN RTOS_MUTEX */
  /* add mutexes, ... */
	// 普通互斥量
	KeilMutexHandle = xSemaphoreCreateMutex();
	// 递归锁
	KeilRecursiveMutexHandle = xSemaphoreCreateRecursiveMutex();
  /* USER CODE END RTOS_MUTEX */

应用代码

代码

（1）补充如下代码（按Ctrl+F搜索Header_StartCubemxTask）

/* USER CODE END Header_StartCubemxTask */
#define Test_RecursiveMutex  1 //如果为1，测试递归锁。为0测试普通互斥量的死锁问题
void Test_DeadLock(void)
{
#if Test_RecursiveMutex
	xSemaphoreTakeRecursive(KeilRecursiveMutexHandle, portMAX_DELAY);
#else
	xSemaphoreTake(KeilMutexHandle, portMAX_DELAY);
#endif /* Test_RecursiveMutex */
	printf("Test_RecursiveMutex\r\n");
#if Test_RecursiveMutex
	xSemaphoreGiveRecursive(KeilRecursiveMutexHandle);
#else
	xSemaphoreGive(KeilMutexHandle);
#endif /* Test_RecursiveMutex */
}

void StartCubemxTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartCubemxTask */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
#if Test_RecursiveMutex
		xSemaphoreTakeRecursive(KeilRecursiveMutexHandle, portMAX_DELAY);
#else
		xSemaphoreTake(KeilMutexHandle, portMAX_DELAY);
#endif /* Test_RecursiveMutex */
		// 这里是刻意采用阻塞延时，目的是增加低优先级任务执行时间
		HAL_Delay(10);
		Task_H = 0;
		Task_M = 0;
		Task_L = 1;
		//测试互斥量死锁问题
		Test_DeadLock();
#if Test_RecursiveMutex
		xSemaphoreGiveRecursive(KeilRecursiveMutexHandle);
#else
		xSemaphoreGive(KeilMutexHandle);
#endif /* Test_RecursiveMutex */
  }
  /* USER CODE END StartCubemxTask */
}

/* Private application code --------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Application */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	unsigned char temp[1]={ch};
	HAL_UART_Transmit(&huart1,temp,1,0xffff);
	return ch;
}
void StartKeilTask_M(void *argument)
{
	vTaskDelay(50/portTICK_PERIOD_MS);	
	BaseType_t xStatus;	
	while(1)
	{		
		Task_H = 0;
		Task_M = 1;
		Task_L = 0;

	}
}
void StartKeilTask_H(void *argument)
{
	vTaskDelay(100/portTICK_PERIOD_MS);		
	while(1)
	{
#if Test_RecursiveMutex
		xSemaphoreTakeRecursive(KeilRecursiveMutexHandle, portMAX_DELAY);
#else
		xSemaphoreTake(KeilMutexHandle, portMAX_DELAY);
#endif /* Test_RecursiveMutex */
		Task_H = 1;
		Task_M = 0;
		Task_L = 0;
#if Test_RecursiveMutex
		xSemaphoreGiveRecursive(KeilRecursiveMutexHandle);
#else
		xSemaphoreGive(KeilMutexHandle);
#endif /* Test_RecursiveMutex */
	}
}
/* USER CODE END Application */

使用存在的小问题—FreeRTOS的堆空间配置

（1）FreeRTOS创建任务时默认的任务栈大小为128字，在32位系统中即为128*4=512Byte，再加上TCB块占用84Byte，一共596Byte。而大小为3072Byte的堆允许创建3个这样的任务，占用约1800Byte。堆中剩余的部分则存放了系统内核、信号量、队列、任务通知等数据。
（2）而这里如果模拟运行，会发现第三个任务无法成功创建。

在这里插入图片描述

（3）
<1>此时我们可以看一下打印的错误数据，会发现是返回的errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY。而这个错误表示内存分配失败。
<2>当时我任务是因为STM32F103C8T6的RAM空间不足导致的问题。之后我更换为STM32F103RCT6，依旧存在这个问题。
<3>后面查阅资料后才发现，我们可以通过FreeRTOSConfig.h的configTOTAL_HEAP_SIZE 这个宏来设置RAM空间分配给 FreeRTOS 的堆。于是我将默认的3072修改为3500，程序就成功运行起来了。

在这里插入图片描述

//修改前
#define configTOTAL_HEAP_SIZE                    ((size_t)3072)
// 修改后
#define configTOTAL_HEAP_SIZE                    ((size_t)3500)

（4）注意，如果是使用的STM32CubeMX，是按照如下步骤修改

在这里插入图片描述

FreeRTOS堆分配技巧

（1） 在前面我们介绍静态创建任务的时候曾经讲解过，如何分配任务栈空间。而如果是动态创建任务，那么就需要在FreeRTOS的堆上使用类似malloc函数进行申请空间。这里正好遇到了这个问题，那么我正好做补充，如何分配FreeRTOS的堆空间。
（2）介绍静态创建任务的时候，我们介绍了uxTaskGetStackHighWaterMark()函数，可以通过这个函数知道当前任务剩余的栈空间。而FreeRTOS的堆空间剩余，官方也提供了两个API接口。
（3）注意：
<1>xPortGetFreeHeapSize()在使用heap_3.c时不能被调用。
<2>xPortGetMinimumEverFreeHeapSize()只能在使用heap_4.c或heap_5.c时生效。
（4）FreeRTOS一般默认使用的是heap_4.c。

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );	         //获取当前未分配的内存堆大小
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );	 //获取未分配的内存堆历史最小值

（5）如果需要修改FreeRTOS内存管理策略，进入FreeRTOSConfig.h按Ctrl+F搜索USE_FreeRTOS_HEAP将其设置为自己想要的内存管理策略。

/* 像如下写法，就是使用的heap_3.c */
//#define USE_FreeRTOS_HEAP_1
//#define USE_FreeRTOS_HEAP_2
#define USE_FreeRTOS_HEAP_3
//#define USE_FreeRTOS_HEAP_4
//#define USE_FreeRTOS_HEAP_5

在这里插入图片描述

（6）如果是使用的STM32CubeMX，按照如下方法调整FreeRTOS内存管理策略。

在这里插入图片描述

仿真结果

（1）将Test_RecursiveMutex置为0，进行死锁实验，会发现互斥量永远被低优先级任务持有并且卡死。导致高优先级任务永远无法被执行。

在这里插入图片描述

（2）将Test_RecursiveMutex置为1，利用递归锁解决死锁问题。高优先级任务想要获取锁的时候，发现锁被低优先级任务持有，进行优先级继承。

在这里插入图片描述

理论

（1）在前文我们介绍了互斥量的知识，我们知道，互斥量是谁上锁谁解锁。我们知道，互斥量是谁上锁设谁解锁。但是互斥量有一个问题，就是只能上锁一次。
（2）这样存在一个问题，假如我们在临界区中，再一次想办法获取互斥量会怎么样呢？从上面的实验结果我们能够发现，会发生死锁。也就是高优先级任务永远无法获取到互斥量，也就永远无法被执行。
注意：之所以说永远，是因为我这里Take设置的等待时间是portMAX_DELAY。如果是其他值，例如10s，那么结果就是10s内高优先级任务无法被执行。

xSemaphoreTake(KeilMutexHandle, portMAX_DELAY);
//临界区
xSemaphoreGive(KeilMutexHandle);

（3）为了解决这个问题，FreeRTOS提出了一个新的处理办法——递归锁。递归锁可以解决在临界区中，依然需要进行获取锁的情况。（我暂时想不到有啥实际例子）
（4）需要注意，递归锁需要注意两点：
<1>谁上锁谁解锁。
<2>递归锁上锁了几次，那么就需要解锁几次。

API函数介绍

创建

（1）动态创建递归锁

/**
 * @brief  动态创建递归锁
 *
 * @param  无
 *
 * @return  如果成功创建了递归互斥锁，那么将返回创建的互斥锁的句柄。否则返回 NULL。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex( void );

（2）静态创建递归锁

/**
 * @brief  静态创建递归锁
 *
 * @param  无
 *
 * @return 如果已成功创建递归互斥锁，则返回创建的创建的互斥锁的句柄。 如果由于pxMutexBuffer为NULL而导致 递归互斥锁未创建，则返回 NULL。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutexStatic(StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer );

/* --- 使用方法 --- */
 SemaphoreHandle_t xSemaphore = NULL;
 StaticSemaphore_t xMutexBuffer;

 void vATask( void * pvParameters )
 {
    /* 创建一个不使用动态内存分配的递归锁。 
     * 递归锁的数据结构会被保存到xMutexBuffer变量中
    */
    xSemaphore = xSemaphoreCreateRecursiveMutexStatic( &xMutexBuffer );

    /* pxMutexBuffer不是NULL，所以句柄不应该是NULL */
    configASSERT( xSemaphore );

    /* 任务代码的其余部分放在这里 */
 }

获取

（1）互斥量和信号量的获取函数都是xSemaphoreTake()，而递归锁的获取函数为xSemaphoreTakeRecursive()。

/**
 * @brief  获取递归锁
 *
 * @param  xMutex        正在获得的互斥锁的句柄
 *        -xTicksToWait  等待递归锁变为可用的时间（以滴答为单位）
 *
 * @return 如果获得信号量，则返回 pdTRUE。 如果 xTicksToWait 过期，信号量不可用，则返回 pdFALSE。
 */
xSemaphoreTakeRecursive( SemaphoreHandle_t xMutex,TickType_t xTicksToWait );

释放

（1）互斥量和信号量的释放函数都是xSemaphoreGive()，而递归锁的是xSemaphoreGiveRecursive()。

/**
 * @brief  释放递归锁
 *
 * @param  xMutex   正在释放或“给出”的互斥锁的句柄
 *
 * @return  如果成功给出信号量，则返回 pdTRUE
 */
xSemaphoreGiveRecursive( SemaphoreHandle_t xMutex );

参考

（1）韦东山freeRTOS快速入门：10-3_互斥量的缺陷和递归锁
（2）FreeRTOS官方手册：信号量/互斥锁
（3）C站：STM32内存结构介绍，FreeRTOS内存分配技巧，Stack_Size和Heap_Size大小设置
（4）FreeRTOS官方手册：内存管理

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