【北京迅为】《STM32MP157开发板使用手册》- 第四十章二值信号量实验

iTOP-STM32MP157开发板采用ST推出的双核cortex-A7+单核cortex-M4异构处理器，既可用Linux、又可以用于STM32单片机开发。开发板采用核心板+底板结构，主频650M、1G内存、8G存储，核心板采用工业级板对板连接器，高可靠，牢固耐用，可满足高速信号环境下使用。共240PIN，CPU功能全部引出:底板扩展接口丰富底板板载4G接口(选配)、千兆以太网、WIFI蓝牙模块HDMI、CAN、RS485、LVDS接口、温湿度传感器(选配)光环境传感器、六轴传感器、2路USB OTG、3路串口，CAMERA接口、ADC电位器、SPDIF、SDIO接口等

第四十章二值信号量实验

40.1 信号量基本概念

信号量（Semaphore）是一种实现任务间通信的机制，可以实现任务之间同步或临界资源的互斥访问，常用于协助一组相互竞争的任务来访问临界资源。在多任务系统中，各任务之间需要同步或互斥实现临界资源的保护，信号量功能可以为用户提供这方面的支持。

40.2 二值信号量的基本概念

二值信号量既可以用于临界资源访问也可以用于同步功能。

二值信号量和互斥信号量（以下使用互斥量表示互斥信号量）非常相似，但是有一些细微差别：互斥量有优先级继承机制，二值信号量则没有这个机制。这使得二值信号量更偏向应用于同步功能，而互斥量更偏向应用于临界资源的访问。

可以将二值信号量看作只有一个项目（item）的队列，因此这个队列只能为空或满（因此称为二值）。任务和中断使用队列无需关注谁控制队列---只需要知道队列是空还是满。利用这个机制可以在任务和中断之间同步。

考虑这样一种情况，一个任务用来维护外设。使用轮询的方法会浪费CPU资源并且妨碍其它任务执行。更好的做法是任务的大部分时间处于阻塞状态（允许其它任务执行），直到某些事件发生该任务才执行。可以使用二进制信号量实现这种应用：当任务取信号量时，因为此时尚未发生特定事件，信号量为空，任务会进入阻塞状态；当外设需要维护时，触发一个中断服务例程，该中断服务仅仅给出信号量（向队列写数据）。任务只是取信号，并不需要归还，中断服务只是给信号。

在嵌入式操作系统中二值信号量是任务间、任务与中断间同步的重要手段，信号量使用最多的一般都是二值信号量与互斥信号量（互斥信号量在下一章讲解）。为什么叫二值信号量呢？因为信号量资源被获取了，信号量值就是 0，信号量资源被释放，信号量值就是 1，把这种只有 0 和 1两种情况的信号量称之为二值信号量。

40.3 实验目的

1）STM32CubeIDE工具软件建立freertos工程

2）学习二值信号量的相关知识与初步使用

我们的实验任务为通过三个按键使用二值信号量的方式分别来控制LED2、LED3和蜂鸣器状态的反转。

首先对实验进行分析，其实本实验和上一章节的队列实验完成的现象相同，但是实现的方式不同，总共需要有四个任务，分别为RECEIVELED2、RECEIVELED3、RECEIVEBEEP三个信号量接收任务和SEND信号量发送任务。所实现的功能如下：

SEND任务：通过三个按键，分别为 VOL-UP、VOL-DN、BACK，三个按键可以分别用来传递LED2Binary、LED3Binary、BEEPBinary三个二值信号量。

RECEIVELED2任务：若是接收到LED2Binary二值信号量，则LED2的状态进行反转。

RECEIVELED3任务：若是接收到LED3Binary二值信号量，则LED3的状态进行反转。

RECEIVEBEEP任务：若是接收到BEEPBinary二值信号量，则BEEP的状态进行反转。

本章节完成的实验存放位置为“iTOP-STM32MP157开发板\iTOP-STM32MP157开发板网盘资料汇总\08_freertos实验例程\04_二值信号量实验.zip”

40.4 二值信号量实验

40.4.1建立freertos_Binary工程

首先我们打开STM32CubeIDE软件，进入软件界面之后，我们点击File属性，选择NEW下的STM32 Project的选项，如下图所示：

然后我们会进入下图所示界面：在Part Number选择框输入STM32MP157A，然后在右边的选择界面选择STM32MP157AAA，然后点击Next选项

在Project Name框中输入工程名字freertos_Binary，然后点击Finish选项即可，如下图所示：

等待工程创建完毕，会询问我们是否要安装OpenSTLinux ，由于我们是在windows环境下，所以我们不需要安装，点击NO即可

至此我们的工程创建完毕，进入工程界面如下图所示界面：

40.4.2输出引脚的配置（LED和蜂鸣器）

首先我们在下面的搜索框之中输入我们要配置的引脚，我们在这里以PE1为例进行搜索，输入名称之后，对应的引脚在工程中会闪烁，如下图所示：

然后我们使用鼠标左键点击对应的引脚会弹出PE1的复用功能选择，我们在这里选择复用为GPIO_Output功能，如下图所示：

配置完复用功能之后，我们还要配置 Pin Reserved 选项，如果不配置此项，在生成工程代码的时候将不会看到有关这个 Pin 的初始化代码。继续选中 PE1，右键弹出设置项，我们选择Pin ReservedàCortex-M4。如下图所示：

第二个LED的控制管脚PE14按同样的方法进行配置。

配置完成之后打开左侧菜单的 System CoreàGPIO 进入 GPIO 模式配置界面：如下图所示：

点击对应的引脚配置之后会弹出右下方的管脚配置界面，如上图所示：

在下方会列出要配置选项的具体说明和我们要进行的配置。

1）选项 GPIO output level 用来设置IO口的输出电平的高低，这这里我们选择LOW

2）选项 GPIO mode 用来设置 IO 口输出模式为 Output Push Pull(推挽)还是 Output Open Drain（开漏）。本实验我们设置为推挽输出 Output Push Pull。

3）选项 GPIO Pull-up/Pull-down 用来设置 IO 口是上拉/下拉/没有上下拉。本实验我们设置为上拉（Pull-up）。

4）选项 Mzximum ouput speed 用来设置 IO 口输出速度为低速(Low)/中速(Medium)/高速 (Hign)/快速(Very High)。我们设置为高速 High 。

5）选项 User Label 是用来设置初始化的 IO 口 Pin 值为我们自定义的宏，这里我们填写为 LED3。按照如上要求设置后的界面如下（由于PE14的配置相同，只是最后的Label值不同，也在下方列了出来）：

40.4.3输入引脚的配置（按键）

首先我们在下面的搜索框之中输入我们要配置的引脚，我们在这里以PI2为例进行搜索（由于三个按键的配置相同，在这里我们只是列出了BACK按键的配置步骤），输入名称之后，对应的引脚在工程中会闪烁，如下图所示：

然后我们使用鼠标左键点击对应的引脚会弹出PI2的复用功能选择，我们在这里选择复用为GPIO_Input功能，如下图所示：

配置完复用功能之后，我们还要配置 Pin Reserved 选项，如果不配置此项，在生成工程代码的时候将不会看到有关这个 Pin 的初始化代码。继续选中 PI2，右键弹出设置项，我们选择Pin ReservedàCortex-M4。如下图所示：

VOL-UP和VOL-DN对应的PI3和PI1引脚按同样的方法进行配置。在此就不一一展示。

配置完成之后打开左侧菜单的 System CoreàGPIO 进入 GPIO 模式配置界面：如下图所示：

选项 GPIO Pull-up/Pull-down 用来设置 IO 口是上拉/下拉/没有上下拉。本实验我们设置为上拉（Pull-up）。

选项 User Label 是用来设置初始化的 IO 口 Pin 值为我们自定义的宏，这里我们填写为VOL-DN。按照如上要求设置后的界面如下（由于PI2和PI3的配置相同，只是最后的Label值不同，也在下方列了出来）：

40.4.4时钟的配置

我们本次实验所采用的时钟为外部时钟HSE，所以我们要在左侧属性栏中的System Core 属性下找到RCC将High Speed Clock选择为Crystal/Ceramic Resonator（晶体/陶瓷晶振）。如下图所示：

然后在Clock Configuration里我们选择 HSE，作为锁相环 PLL3P 的时钟源，在 MCU 子系统时钟里输入 209 并回车，软件会自动设置相应的倍频和分频，如下图所示：

设置完成之后，如下图所示，然后再手动配置 APB1DIV、APB2DIV 和 APB3DIV的分频值为 2。当 APB1DIV 的分频数大于 1 的时候，基本定时器的倍频器倍频值始终为 2，所以基本定时器的时钟频率为 209MHz。

40.4.5 配置 FreeRTOS

时钟配置完成之后，我们要在左侧属性栏中的Middleware属性下找到FREERTOS将Interface函数接口选择 CMSIS_V2，选择完成如下图所示：

每个功能窗口对应的功能如下：

窗口	对应的功能
Mutexes	互斥量
Events	事件
FreeRTOS Heap Usage	堆情况使用
User Constants	常量的定义
Tasks and Queues	任务和消息队列
Timers and Semaphores	软件定时器和信号
Config parameters	配置参数
Inclued parameters	头文件配置
Advanced settings	高级设置

然后我么进入到Tasks and Queues任务和消息队列窗口，如下图所示：

随后我们点击default默认创建的任务，添加任务名字为SEND的工程，修改优先级为最低osPriorityLow如下图所示：

我们只需要修改任务名称和设置线程函数名即可，修改完成之后点击OK按钮，随后我们以同样的方式，创建任务名字为RECEIVELED2、RECEIVELED3、RECEIVEBEEP的任务，创建完成如下图所示：

随后我们来到Timers and Semaphores选项界面（即软件定时器和信号界面），在该页面中总共有三个任务栏，分别为定时器、二值信号量、计数信号量，如下图所示，然后我们点击中间二值信号量的Add添加按钮如下图所示：

弹出队列的添加窗口之后，对默认的Semaphore Name进行修改，修改为LED2Binary，然后我们点击确定按钮，如下图所示：

用同样的方法创建LED3Binary、BEEPBinary两个二值信号量，创建完成如下图所示：

配置完成之后我们需要在Project Manage下的Code Generator选项下勾选 Generate peripheral initialization as a pair of ".c/.h' files per peripheral 选项，这样可以独立生成对应外设的初始化.h 和.c 文件（方便配置的查看），如下图所示：

40.4.6工程的生成与完善

在上述的步骤完成之后，按下键盘的“Ctrl+S”组合键保存保存 LED.ioc 文件，系统开始生成初始化代码，此处会弹出一个警告，提示我们 Systick 定时器已被 HAL 库占用，在 STM32MP157 Cortex-M4 内核上我们更换不了其他的定时器，选择 Yes 继续生成代码即可。

工程生成之后如下图所示：

然后我们进行工程的完善，以及添加对应的逻辑代码。

40.4.6.1 对应文件与文件夹的添加

由于我们在裸机章节已经完善了对应的LED，BEEP和KEY文件，所以我们将iTOP-STM32MP157开发板网盘资料汇总\06_Cortex-M4实验例程\03_KEY\KEY\CM4\Core\BSP文件拷贝到当前工程对应的位置，拷贝完成如下下图所示：

40.4.6.2 app_freertos.c文件的完善

我们要修改的 app_freertos.c文件路径如下图所示：

打开app_freertos.c文件，我们首先在/* USER CODE BEGIN Includes */和/* USER CODE END Includes */中间添加以下内容，将led、beep和key的头文件进行添加。

#include "../BSP/Include/led.h"

#include "../BSP/Include/beep.h"

#include "../BSP/Include/key.h"

添加完成如下图所示：

然后我们来到文件的底部可以看到我们创建的RECEIVELED2_Task、RECEIVELED3_Task、RECEIVEBEEP_Task和SEND_Task 任务

修改RECEIVELED2_Task任务的for循环中的内容，修改内容如下：

	osStatus_t xReturn = osOK ;
  for(;;)
  {
	  xReturn = osSemaphoreAcquire(LED2BinaryHandle,osWaitForever);
	  if(osOK == xReturn)
	  {
		  LED2_TOGGLE();
	  }
  }

修改完成如下图所示：

修改RECEIVELED3_Task任务的for循环中的内容，修改内容如下：

	osStatus_t xReturn = osOK ;
  for(;;)
  {
	  xReturn = osSemaphoreAcquire(LED3BinaryHandle,osWaitForever);
	  if(osOK == xReturn)
	  {
		  LED3_TOGGLE();
	  }
  }

修改完成如下图所示：

修改RECEIVEBEEP_Task任务的for循环中的内容，修改内容如下：

	osStatus_t xReturn = osOK ;
  for(;;)
  {
	  xReturn = osSemaphoreAcquire(BEEPBinaryHandle,osWaitForever);
	  if(osOK == xReturn)
	  {
		  BEEP_TOGGLE();
	  }
  }

修改完成如下图所示：

随后我们修改SEND_Task 任务的内容，修改内容如下：

uint8_t key;

  for(;;)

  {

  key = key_scan();

if (key)

{

switch (key)

   {

   case VOL_UP_PRES:

   osSemaphoreRelease( LED2BinaryHandle );

   break;

   case VOL_DN_PRES:

   osSemaphoreRelease( LED3BinaryHandle );

   break;

   case BACK_PRES:

   osSemaphoreRelease( BEEPBinaryHandle );

   break;

   }

}

  }

    osDelay(20);

至此，我们的内容就添加完成了。之后进行编译烧写，当按下VOL_UP按键时会释放LED2Binary信号量，接收函数接收到该信号之后LED2状态翻转，当按下VOL_DN按键时会释放LED3Binary信号量，接收函数接收到该信号之后LED3状态翻转，当按下BACK按键时会释放BEEPBinary信号量，接收函数接收到该信号之后BEEP状态翻转至此，我们的挂起和恢复任务实验就完成了。