任务间通讯

news2024/11/15 10:34:13

信号量与邮箱

系统中的多个任务在运行时，经常需要互相无冲突地访问同一个共享资源，或者需要互相支持和依赖，甚至有时还要互相加以必要的限制和制约，才保证任务的顺利运行。因此，操作系统必须具有对任务的运行进行协调的能力，从而使任务之间可以无冲突、流畅地同步运行，而不致导致灾难性的后果。

例如，任务 A 和任务 B 共享一台打印机，如果系统已经把打印机分配给了任务 A，则任务B 因不能获得打印机的使用权而应该处于等待状态，只有当任务 A 把打印机释放后，系统才能唤醒任务 B 使其获得打印机的使用权。如果这两个任务不这样做，那么会造成极大的混乱 。

任务间的同步依赖于任务间的通信。在 UCOSII 中，是使用信号量、邮箱（消息邮箱）和消息队列这些被称作事件的中间环节来实现任务之间的通信的。

事件

两个任务通过事件进行通讯。

任务 1 负责把信息发送到事件上，这项操作叫做发送事件。任务 2 通过读取事件操作对事件进行查询：如果有信息则读取，否则等待。读事件操作叫做请求事件。

为了把描述事件的数据结构统一起来，UCOSII 使用叫做事件控制块(ECB)的数据结构来描述诸如信号量、邮箱（消息邮箱）和消息队列这些事件。

事件控制块中包含包括等待任务表在内的所有有关事件的数据，事件控制块结构体定义如下：

typedef struct 
{
 INT8U OSEventType; //事件的类型
 INT16U OSEventCnt; //信号量计数器
 void *OSEventPtr; //消息或消息队列的指针
 INT8U OSEventGrp; //等待事件的任务组
 INT8U OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE];//任务等待表
#if OS_EVENT_NAME_EN > 0u
 INT8U *OSEventName; //事件名
#endif 
} OS_EVENT;

信号量

信号量是一类事件。使用信号量的最初目的，是为了给共享资源设立一个标志，该标志表示该共享资源的占用情况。这样，当一个任务在访问共享资源之前，就可以先对这个标志进行查询，从而在了解资源被占用的情况之后，再来决定自己的行为。

信号量可以分为两种：一种是二值型信号量，另外一种是 N 值信号量。

二值型信号量好比家里的座机，任何时候，只能有一个人占用。而 N 值信号量，则好比公共电话亭，可以同时有多个人（N 个）使用。

UCOSII 将二值型信号量称之为也叫互斥型信号量，将 N 值信号量称之为计数型信号量，也就是普通的信号量。

创建信号量函数

在使用信号量之前，我们必须用函数 OSSemCreate 来创建一个信号量，该函数的原型为：

OS_EVENT *OSSemCreate (INT16U cnt);

该函数返回值为已创建的信号量的指针，而参数 cnt 则是信号量计数器（OSEventCnt）的初始值。

请求信号量函数

任务通过调用函数 OSSemPend 请求信号量，该函数原型如下：

void OSSemPend ( OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err);

其中，参数 pevent 是被请求信号量的指针，timeout 为等待时限，err 为错误信息。

为防止任务因得不到信号量而处于长期的等待状态，函数 OSSemPend 允许用参数timeout 设置一个等待时间的限制，当任务等待的时间超过 timeout 时可以结束等待状态而进入就绪状态。如果参数 timeout 被设置为 0，则表明任务的等待时间为无限长。

发送信号量函数

任务获得信号量，并在访问共享资源结束以后，必须要释放信号量，释放信号量也叫做发送信号量，发送信号通过 OSSemPost 函数实现 。OSSemPost 函数在对信号量的计数器操作之前，首先要检查是否还有等待该信号量的任务。如果没有，就把信号量计数器OSEventCnt 加一；如果有，则调用调度器 OS_Sched( )去运行等待任务中优先级别最高的任务。函数 OSSemPost 的原型为：

INT8U OSSemPost(OS_EVENT *pevent);

其中，pevent 为信号量指针，该函数在调用成功后，返回值为 OS_ON_ERR，否则会根据具体错误返回 OS_ERR_EVENT_TYPE、OS_SEM_OVF。

删除信号量函数

应用程序如果不需要某个信号量了，那么可以调用函数 OSSemDel 来删除该信号量，该函数的原型为：

OS_EVENT *OSSemDel (OS_EVENT *pevent,INT8U opt, INT8U *err);

其中，pevent 为要删除的信号量指针，opt 为删除条件选项，err 为错误信息。

邮箱

在多任务操作系统中，常常需要在任务与任务之间通过传递一个数据（这种数据叫做“消息”）的方式来进行通信。为了达到这个目的，可以在内存中创建一个存储空间作为该数据的缓冲区。如果把这个缓冲区称之为消息缓冲区，这样在任务间传递数据（消息）的最简单办法就是传递消息缓冲区的指针。

我们把用来传递消息缓冲区指针的数据结构叫做邮箱（消息邮箱）。

在 UCOSII 中，我们通过事件控制块的 OSEventPrt 来传递消息缓冲区指针，同时使事件控制块的成员 OSEventType 为常数 OS_EVENT_TYPE_MBOX，则该事件控制块就叫做消息邮箱。

创建邮箱函数

创建邮箱通过函数 OSMboxCreate 实现，该函数原型为：

OS_EVENT *OSMboxCreate (void *msg);

函数中的参数 msg 为消息的指针，函数的返回值为消息邮箱的指针。

调用函数 OSMboxCreate 需先定义 msg 的初始值。

在一般的情况下，这个初始值为NULL；但也可以事先定义一个邮箱，然后把这个邮箱的指针作为参数传递到函数OSMboxCreate 中，使之一开始就指向一个邮箱。

向邮箱发送消息函数

任务可以通过调用函数 OSMboxPost 向消息邮箱发送消息，这个函数的原型为：

INT8U OSMboxPost (OS_EVENT *pevent,void *msg);

其中 pevent 为消息邮箱的指针，msg 为消息指针。

请求邮箱函数

当一个任务请求邮箱时需要调用函数 OSMboxPend，这个函数的主要作用就是查看邮箱指针 OSEventPtr 是否为 NULL，如果不是 NULL 就把邮箱中的消息指针返回给调用函数的任务，同时用 OS_NO_ERR 通过函数的参数 err 通知任务获取消息成功；如果邮箱指针OSEventPtr 是 NULL，则使任务进入等待状态，并引发一次任务调度。

void *OSMboxPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err);

其中 pevent 为请求邮箱指针，timeout 为等待时限，err 为错误信息。

查询邮箱状态函数

任务可以通过调用函数 OSMboxQuery 查询邮箱的当前状态。该函数原型为：

INT8U OSMboxQuery(OS_EVENT *pevent, OS_MBOX_DATA *pdata);

其中 pevent 为消息邮箱指针，pdata 为存放邮箱信息的结构。

删除邮箱函数

在邮箱不再使用的时候，我们可以通过调用函数 OSMboxDel 来删除一个邮箱，该函数原型为：

OS_EVENT *OSMboxDel(OS_EVENT *pevent,INT8U opt,INT8U *err);

其中 pevent 为消息邮箱指针，opt 为删除选项，err 为错误信息。

试验

信号量：

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h" 
#include "led.h" 		 	 
#include "lcd.h" 
#include "key.h" 
#include "beep.h"
#include "touch.h"   
#include "includes.h"


/UCOSII任务设置///
//START 任务
//设置任务优先级
#define START_TASK_PRIO      			10 //开始任务的优先级设置为最低
//设置任务堆栈大小
#define START_STK_SIZE  				64
//任务堆栈	
OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE];
//任务函数
void start_task(void *pdata);	
 			   
//LED任务
//设置任务优先级
#define LED_TASK_PRIO       			7 
//设置任务堆栈大小
#define LED_STK_SIZE  		    		64
//任务堆栈	
OS_STK LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE];
//任务函数
void led_task(void *pdata);

//触摸屏任务
//设置任务优先级
#define TOUCH_TASK_PRIO       		 	6
//设置任务堆栈大小
#define TOUCH_STK_SIZE  				128
//任务堆栈	
OS_STK TOUCH_TASK_STK[TOUCH_STK_SIZE];
//任务函数
void touch_task(void *pdata);

//蜂鸣器任务
//设置任务优先级
#define BEEP_TASK_PRIO       			5 
//设置任务堆栈大小
#define BEEP_STK_SIZE  					64
//任务堆栈	
OS_STK BEEP_TASK_STK[BEEP_STK_SIZE];
//任务函数
void beep_task(void *pdata);
 
//主任务
//设置任务优先级
#define MAIN_TASK_PRIO       			4 
//设置任务堆栈大小
#define MAIN_STK_SIZE  					128
//任务堆栈	
OS_STK MAIN_TASK_STK[MAIN_STK_SIZE];
//任务函数
void main_task(void *pdata);

//按键扫描任务
//设置任务优先级
#define KEY_TASK_PRIO       			3 
//设置任务堆栈大小
#define KEY_STK_SIZE  					64
//任务堆栈	
OS_STK KEY_TASK_STK[KEY_STK_SIZE];
//任务函数
void key_task(void *pdata);
//
OS_EVENT * msg_key;			//按键邮箱事件块指针
OS_EVENT * sem_beep;		//蜂鸣器信号量指针	 	  
//加载主界面   
void ucos_load_main_ui(void)
{
	LCD_Clear(WHITE);		//清屏
 	POINT_COLOR=RED;		//设置字体为红色 
	LCD_ShowString(30,10,200,16,16,"WarShip STM32");	
	LCD_ShowString(30,30,200,16,16,"UCOSII TEST2");	
	LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
   	LCD_ShowString(30,75,200,16,16,"KEY0:DS1 KEY_UP:ADJUST");	
   	LCD_ShowString(30,95,200,16,16,"KEY1:BEEP  KEY2:CLEAR"); 
	LCD_ShowString(80,210,200,16,16,"Touch Area");	
	LCD_DrawLine(0,120,lcddev.width,120);
	LCD_DrawLine(0,70,lcddev.width,70);
	LCD_DrawLine(150,0,150,70);
 	POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色 
  	LCD_ShowString(160,30,200,16,16,"CPU:   %");	
   	LCD_ShowString(160,50,200,16,16,"SEM:000");	
}	
 int main(void)
 {	 		    
	delay_init();	    	 //延时函数初始化	  
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置中断优先级分组为组2：2位抢占优先级，2位响应优先级
	uart_init(115200);	 	//串口初始化为115200
	 
	LED_Init();		  		//初始化与LED连接的硬件接口
 	BEEP_Init();			//蜂鸣器初始化	
	KEY_Init();				//按键初始化
	LCD_Init();			   	//初始化LCD
   	tp_dev.init();		    //触摸屏初始化
	ucos_load_main_ui();	//加载主界面	 
  	OSInit();  	 			//初始化UCOSII
  	OSTaskCreate(start_task,(void *)0,(OS_STK *)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO );//创建起始任务
	OSStart();
}

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。



//开始任务
void start_task(void *pdata)
{
    OS_CPU_SR cpu_sr=0;
	pdata = pdata; 		  
	msg_key=OSMboxCreate((void*)0);	//创建消息邮箱
	sem_beep=OSSemCreate(0);		//创建信号量		 			  
	OSStatInit();					//初始化统计任务.这里会延时1秒钟左右	
 	OS_ENTER_CRITICAL();			//进入临界区(无法被中断打断)    
 	OSTaskCreate(touch_task,(void *)0,(OS_STK*)&TOUCH_TASK_STK[TOUCH_STK_SIZE-1],TOUCH_TASK_PRIO);	 				   
 	OSTaskCreate(led_task,(void *)0,(OS_STK*)&LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE-1],LED_TASK_PRIO);						   
 	OSTaskCreate(beep_task,(void *)0,(OS_STK*)&BEEP_TASK_STK[BEEP_STK_SIZE-1],BEEP_TASK_PRIO);	 				   
 	OSTaskCreate(main_task,(void *)0,(OS_STK*)&MAIN_TASK_STK[MAIN_STK_SIZE-1],MAIN_TASK_PRIO);	 				   
 	OSTaskCreate(key_task,(void *)0,(OS_STK*)&KEY_TASK_STK[KEY_STK_SIZE-1],KEY_TASK_PRIO);	 				   
 	OSTaskSuspend(START_TASK_PRIO);	//挂起起始任务.
	OS_EXIT_CRITICAL();				//退出临界区(可以被中断打断)
}	  
//LED任务
void led_task(void *pdata)
{
	u8 t;
	while(1)
	{
		t++;
		delay_ms(10);
		if(t==8)LED0=1;	//LED0灭
		if(t==100)		//LED0亮
		{
			t=0;
			LED0=0;
		}
	}									 
}	   

//蜂鸣器任务
void beep_task(void *pdata)
{
	u8 err;
	while(1)
	{
		OSSemPend(sem_beep,0,&err);
		BEEP=1;
		delay_ms(60);
		BEEP=0;
		delay_ms(940);
	}									 
} 
//触摸屏任务
void touch_task(void *pdata)
{	  	
	u32 cpu_sr;
 	u16 lastpos[2];						//最后一次的数据 
	while(1)
	{
		tp_dev.scan(0); 		 
		if(tp_dev.sta&TP_PRES_DOWN)		//触摸屏被按下
		{	
		 	if(tp_dev.x[0]<lcddev.width&&tp_dev.y[0]<lcddev.height&&tp_dev.y[0]>120)
			{			
				if(lastpos[0]==0XFFFF)
				{
					lastpos[0]=tp_dev.x[0];
					lastpos[1]=tp_dev.y[0]; 
				}
				OS_ENTER_CRITICAL();	//进入临界段,防止其他任务,打断LCD操作,导致液晶乱序.
				lcd_draw_bline(lastpos[0],lastpos[1],tp_dev.x[0],tp_dev.y[0],2,RED);//画线
				OS_EXIT_CRITICAL();
				lastpos[0]=tp_dev.x[0];
				lastpos[1]=tp_dev.y[0];     
			}
		}else lastpos[0]=0XFFFF;		//没有触摸
		delay_ms(5);
	}
}
//主任务
void main_task(void *pdata)
{							 
	u32 key=0;	
	u8 err;	
	u8 semmask=0;
	u8 tcnt=0;						 
	while(1)
	{
		key=(u32)OSMboxPend(msg_key,10,&err);   
		switch(key)
		{
			case 1://控制DS1
				LED1=!LED1;
				break;
			case 2://发送信号量
				semmask=1;
				OSSemPost(sem_beep);
				break;
			case 3://清除
				LCD_Fill(0,121,lcddev.width,lcddev.height,WHITE);
				break;
			case 4://校准
				OSTaskSuspend(TOUCH_TASK_PRIO);		//挂起触摸屏任务		 
 				if((tp_dev.touchtype&0X80)==0)TP_Adjust();   
 				OSTaskResume(TOUCH_TASK_PRIO);		//解挂
				ucos_load_main_ui();				//重新加载主界面		 
				break;
		}
   		if(semmask||sem_beep->OSEventCnt)			//需要显示sem		
		{
			POINT_COLOR=BLUE;
			LCD_ShowxNum(192,50,sem_beep->OSEventCnt,3,16,0X80);//显示信号量的值
			if(sem_beep->OSEventCnt==0)semmask=0;	//停止更新
		} 
		if(tcnt==50)//0.5秒更新一次CPU使用率
		{
			tcnt=0;
			POINT_COLOR=BLUE;		  
			LCD_ShowxNum(192,30,OSCPUUsage,3,16,0);	//显示CPU使用率   
		}
		tcnt++;
		delay_ms(10);
	}
} 
//按键扫描任务
void key_task(void *pdata)
{	
	u8 key;		    						 
	while(1)
	{
		key=KEY_Scan(0);   
		if(key)OSMboxPost(msg_key,(void*)key);//发送消息
 		delay_ms(10);
	}
}

默认状态下，CPU 使用率仅为 4%。此时通过在触摸区域画图，可以看到 CPU 使用率飙升(49%)，说明触摸屏任务是一个很占 CPU 的任务；

通过按 KEY0，可以控制DS1 的亮灭；

通过按 KEY1 则可以控制蜂鸣器的发声（连续按下多次后，可以看到蜂鸣每隔 1秒叫一次），同时，可以在 LCD 上面看到信号量的当前值；

通过按 KEY2，可以清除触摸屏的输入；通过按 WK_UP 可以进入校准程序，进行触摸屏校准。

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