【FreeRTOS】信号量实验-控制车辆运行

0 前言
1 控制车辆运行
2 不使用信号量
3 使用计数型信号量
- 3.1 运行两辆车运行
- 3.2 运行三辆车运行
4 使用==二进制信号量==
5 补充信号量知识
- 5.1 两种信号量对比
- 5.2 信号量函数
- 5.3 创建
- 5.4 删除
- 5.5 Take / Give
- - 5.5.1 xSemaphoreGive
  - 5.5.2 pxHigherPriorityTaskWoken
  - 5.5.3 xSemaphoreTake
  - 5.5.4 xSemaphoreTakeFromISR

0 前言

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 00:28】 https://www.bilibili.com/video/BV1Jw411i7Fz/?p=40&share_source=copy_web&vd_source=8af85e60c2df9af1f0fd23935753a933&t=28

参考《FreeRTOS入门与工程实践(基于DshanMCU-103).pdf》

1 控制车辆运行

任务 :本节源码：在"17_queue_car_dispatch"的基础上，改出：

18_semaphore_not_use：不使用信号量，3俩车都可以进城
19_semaphore_count：使用计数型信号量，同时允许多辆车进城
20_semaphore_binary：使用二进制信号量，同时只允许一辆车进城

17_queue_car_dispatch是使用遥控器数字键 1 2 3来控制3辆车的运行，现在18_semaphore_not_use：不使用信号量，3俩车都可以进城

2 不使用信号量

18_semaphore_not_use：不使用信号量，3俩车都可以进城

修改game2.c中的CarTask任务函数，注释掉读取按键值和下面的if判断语句，加入延时，减小步进距离，现象更加明显了。

static void CarTask(void *params)
{
	struct car *pcar = params;
	struct ir_data idata;
	
	/* 创建自己的队列 */
	QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));
	
	/* 注册队列 */
	RegisterQueueHandle(xQueueIR);

	/* 显示汽车 */
	ShowCar(pcar);
	
	while (1)
	{
		/* 读取按键值:读队列 */
		// xQueueReceive(xQueueIR, &idata, portMAX_DELAY);
		
		/* 控制汽车往右移动 */
		// if (idata.val == pcar->control_key)
		{
			if (pcar->x < g_xres - CAR_LENGTH)
			{
				/* 隐藏汽车 */
				HideCar(pcar);
				
				/* 调整位置 */
				pcar->x += 3;
				if (pcar->x > g_xres - CAR_LENGTH)
				{
					pcar->x = g_xres - CAR_LENGTH;
				}
				
				/* 重新显示汽车 */
				ShowCar(pcar);
                
                vTaskDelay(50);
                if (pcar->x == g_xres - CAR_LENGTH) //移动到最右边
                    vTaskDelete(NULL);
			}
		}
	}
}

烧录程序之后能看到，三辆车基本是同时运行，同时抵达终点的！

3 使用计数型信号量

3.1 运行两辆车运行

在第18个程序的基础上修改代码

19_semaphore_count：使用计数型信号量，同时允许多辆车进城

任务：
创建一个信号量：初始值为2，只能有两辆车运行到站。

使用信号量之前，得先创建信号量。

在 game2.c 中创建一个全局的信号量

static SemaphoreHandle_t g_xSemTicks;   //信号量

在CarTask任务里显示完汽车之后，获取一下信号量

/* 先获取信号量 */
    xSemaphoreTake(g_xSemTicks, portMAX_DELAY); //不成功就永远等待

完整的CarTask函数

static void CarTask(void *params)
{
	struct car *pcar = params;
	struct ir_data idata;
	
	/* 创建自己的队列 */
	QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));
	
	/* 注册队列 */
	RegisterQueueHandle(xQueueIR);

	/* 显示汽车 */
	ShowCar(pcar);
	
    /* 先获取信号量 */
    xSemaphoreTake(g_xSemTicks, portMAX_DELAY); //不成功就永远等待
    
	while (1)
	{
		/* 读取按键值:读队列 */
		// xQueueReceive(xQueueIR, &idata, portMAX_DELAY);
		
		/* 控制汽车往右移动 */
		// if (idata.val == pcar->control_key)
		{
			if (pcar->x < g_xres - CAR_LENGTH)
			{
				/* 隐藏汽车 */
				HideCar(pcar);
				
				/* 调整位置 */
				pcar->x += 3;
				if (pcar->x > g_xres - CAR_LENGTH)
				{
					pcar->x = g_xres - CAR_LENGTH;
				}
				
				/* 重新显示汽车 */
				ShowCar(pcar);
                
                vTaskDelay(50);
                if (pcar->x == g_xres - CAR_LENGTH) //移动到最右边
                    vTaskDelete(NULL);
			}
		}
	}
}

编译烧录之后，只有1、3两辆车可以到达终点，结合之前的内容，现象是正确的。
后创建的任务先执行，然后执行第一个创建的任务。

3.2 运行三辆车运行

这里操作是假设有一辆车到站了，走到头了，就释放信号量，这样第三辆车就可以运行了

只修改CarTask里的最后一部分，添加释放信号量的操作！

/* 重新显示汽车 */
ShowCar(pcar);

vTaskDelay(50);
if (pcar->x == g_xres - CAR_LENGTH) //移动到最右边
{
	/* 释放信号量 */
	xSemaphoreGive(g_xSemTicks);
	vTaskDelete(NULL);
}

4 使用二进制信号量

在第19个程序的基础上修改代码

20_semaphore_binary：使用二进制信号量，同时只允许一辆车进城

g_xSemTicks = xSemaphoreCreateCounting(3, 1); //创建信号量，最大值3，初始值1

将信号量改为1，每次只能有一辆车运行，车辆运行的顺序是3、1、2

现在就出现了唤醒的顺序问题，为什么是312的顺序呢？

如果有任务想获得信号量，获取不成功的话，并且愿意等待的话，会被放入等待的链表里，再链表里是怎么排序的呢？

高优先级任务，排在前面。
同等优先级的任务，按调用函数的先后时刻排序。

当有信号量被释放，就会到这个链表里找到第一个任务来执行！

在这里插入图片描述

我们这里任务3最后创建，任务最先执行，其次是任务1，再次是任务2，这里可以看以前的文章，有详细介绍。

创建二进制信号量的方法，有两种，区别就在于初始值，xSemaphoreCreateBinary的初始值为0且不能修改，xSemaphoreCreateCounting的初始值可以指定。

    g_xSemTicks = xSemaphoreCreateCounting(1, 1); //创建二进制信号量，最大值1，初始值1
    g_xSemTicks = xSemaphoreCreateBinary();//创建二进制信号量，初始值为0且不能修改

使用xSemaphoreCreateBinary创建信号量，会发现三辆车都不能移动了，因为初值是0，所以不能移动！
解决方法：

    g_xSemTicks = xSemaphoreCreateBinary();//创建二进制信号量，初始值为0且不能修改
    xSemaphoreGive(g_xSemTicks);   //增加一个信号量
    xSemaphoreGive(g_xSemTicks);   //对于二进制信号量，最大值为1，后面这几次Give都无效，只有第一次有效
    xSemaphoreGive(g_xSemTicks);   
    xSemaphoreGive(g_xSemTicks);

现在就能正常运行汽车任务了。

5 补充信号量知识

信号量这个名字很恰当：

信号：起通知作用
量：还可以用来表示资源的数量
- 当"量"没有限制时，它就是"计数型信号量"(Counting Semaphores)
- 当"量"只有0、1两个取值时，它就是"二进制信号量"(Binary Semaphores)
支持的动作："give"给出资源，计数值加1；"take"获得资源，计数值减1

计数型信号量的典型场景是：

计数：事件产生时"give"信号量，让计数值加1；处理事件时要先"take"信号量，就是获得信号量，让计数值减1。
资源管理：要想访问资源需要先"take"信号量，让计数值减1；用完资源后"give"信号量，让计数值加1。信号量的"give"、"take"双方并不需要相同，可以用于生产者-消费者场合：
生产者为任务A、B，消费者为任务C、D
一开始信号量的计数值为0，如果任务C、D想获得信号量，会有两种结果：
- 阻塞：买不到东西咱就等等吧，可以定个闹钟(超时时间)
- 即刻返回失败：不等
任务A、B可以生产资源，就是让信号量的计数值增加1，并且把等待这个资源的顾客唤醒
唤醒谁？谁优先级高就唤醒谁，如果大家优先级一样就唤醒等待时间最长的人

二进制信号量跟计数型的唯一差别，就是计数值的最大值被限定为1。

5.1 两种信号量对比

信号量的计数值都有限制：限定了最大值。如果最大值被限定为1，那么它就是二进制信号量；如果最大值不是1，它就是计数型信号量。

差别列表如下：

二进制信号量	计术型信号量
被创建时初始值为0	被创建时初始值可以设定
其他操作是一样的	其他操作是一样的

5.2 信号量函数

使用信号量时，先创建、然后去添加资源、获得资源。使用句柄来表示一个信号量。

5.3 创建

使用信号量之前，要先创建，得到一个句柄；使用信号量时，要使用句柄来表明使用哪个信号量。对于二进制信号量、计数型信号量，它们的创建函数不一样：

	二进制信号量	计数型信号量
动态创建	xSemaphoreCreateBinary	计数值初始值为0
	vSemaphoreCreateBinary(过时了) 计数值初始值为1
静态创建	xSemaphoreCreateBinaryStatic	xSemaphoreCreateCountingStatic

创建二进制信号量的函数原型如下：

/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配信号量结构体 
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );

/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
 * 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

创建计数型信号量的函数原型如下：

/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配信号量结构体 
 * uxMaxCount: 最大计数值
 * uxInitialCount: 初始计数值
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);

/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。
 * 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针
 * uxMaxCount: 最大计数值
 * uxInitialCount: 初始计数值
 * pxSemaphoreBuffer: StaticSemaphore_t结构体指针
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount, 
                                                 UBaseType_t uxInitialCount, 
                                                 StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

5.4 删除

对于动态创建的信号量，不再需要它们时，可以删除它们以回收内存。

vSemaphoreDelete可以用来删除二进制信号量、计数型信号量，函数原型如下：

/*
 * xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量
 */
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

5.5 Take / Give

二进制信号量、计数型信号量的give、take操作函数是一样的。这些函数也分为2个版本：给任务使用，给ISR使用。列表如下：

	在任务中使用	在ISR中使用
give	xSemaphoreGive	xSemaphoreGiveFromISR
take	xSemaphoreTake	xSemaphoreTakeFromISR

5.5.1 xSemaphoreGive

xSemaphoreGive的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

xSemaphoreGive函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败；如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

5.5.2 pxHigherPriorityTaskWoken

pxHigherPriorityTaskWoken的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
                        SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                        BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                    );

xSemaphoreGiveFromISR函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果释放信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败；如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

5.5.3 xSemaphoreTake

xSemaphoreTake的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(
                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                   TickType_t xTicksToWait
               );

xSemaphoreTake函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
xTicksToWait	如果无法马上获得信号量，阻塞一会： 0：不阻塞，马上返回 portMAX_DELAY: 一直阻塞直到成功其他值: 阻塞的Tick个数，可以使用pdMS_TO_TICKS()来指定阻塞时间为若干ms
返回值	pdTRUE表示成功

5.5.4 xSemaphoreTakeFromISR

xSemaphoreTakeFromISR的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(
                        SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                        BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                    );

xSemaphoreTakeFromISR函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果获取信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功