【FreeRTOS】同步互斥与通信 有缺陷的同步示例

news2024/11/18 22:25:32

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_Task1Info
        osPriorityNormal,   //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_Task1Info
        osPriorityNormal,   //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),Task3

static 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！！！

在这里插入图片描述

  • 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
在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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x
    uint8_t y;      //定义坐标y
    char 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),Task3

static 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3000Tick
		
		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
	}
}
/* 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_Task1Info
            osPriorityNormal,   //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_Task1Info
            osPriorityNormal,   //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 */

在这里插入图片描述

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

  • 正确性

  • 效率：等待者要进入阻塞状态

  • 多种解决方案

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机电荷2018级课程设计题目及要求 题1:电子称重器设计 功能要求: 1)开机显示时间(小时、分)、时分可修改; 2)用滑动变阻器模拟称重传感器(测量范围0- 200g),数码管显示当前重量值,当重量值高于高 值时,红灯长亮; 3)当重量值低于低值时,黄灯长亮; 4)当重量值在正常值时,绿灯亮; 5…
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【堆 优先队列】23. 合并 K 个升序链表

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本文涉及知识点 堆 优先队列 LeetCode23. 合并 K 个升序链表 给你一个链表数组&#xff0c;每个链表都已经按升序排列。 请你将所有链表合并到一个升序链表中&#xff0c;返回合并后的链表。 示例 1&#xff1a; 输入&#xff1a;lists [[1,4,5],[1,3,4],[2,6]] 输出&#…
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使用任意电脑通过内网穿透生成的公网地址远程SSH连接本地Windows电脑

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文章目录 前言1. Windows安装SSH服务2. Windows本地连接测试3. Windows安装Cpolar工具4. 配置SSH公网地址5. 远程SSH 连接测试6. 固定SSH公网地址7. 固定SSH地址测试 前言 在当今的数字化转型时代&#xff0c;远程连接和管理计算机已成为日常工作中不可或缺的一部分。对于Wind…
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JAVA--JSON转换工具类

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JSON转换工具类 import com.alibaba.fastjson.JSONObject; import com.fasterxml.jackson.annotation.JsonInclude; import com.fasterxml.jackson.core.JsonProcessingException; import com.fasterxml.jackson.databind.DeserializationFeature; import com.fasterxml.jackso…
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浅析MySQL-索引篇01

浅析MySQL-索引篇01

什么是索引&#xff1f; 索引是帮助存储引擎快速获取数据的一种数据结构&#xff0c;类似于数据的目录。 索引的分类 按数据结构分类&#xff1a; MySQL 常见索引有 BTree 索引、HASH 索引、Full-Text 索引。 Innodb是MySQL5.5之后的默认存储引擎&#xff0c;BTree索引类型也…
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