FreeRTOS学习笔记——二值型信号量

1.前言

    在嵌入式操作系统中二值型信号量是任务间、任务与中断间同步的重要手段。FreeRTOS的二值型信号量简单易用，下面结合一个具体例子说明FreeRTOS中的二值型信号量如何使用。

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    【 代码链接】——示例代码存于百度网盘

2.特别说明    

    二值型信号量的使用方法见图1所示，二值型信号量可以理解为任务与中断间或者两个任务间的标志，该标志非“满”即“空”。Send操作相当把该标志置“满”，Receive操作相关与把该标志取"空"，经过send和receive操作实现任务与中断间或者两任务的操作同步。

图1 二值型信号量使用示意图

    【特别说明】

    V7.X版本和V8.X的信号量操作存在少许区别

    V7.X版本中使用 vSemaphoreCreateBinary函数，使用该函数创建的信号量初始值为“满”，receive操作立刻有返回。相关代码见文章末尾补充代码1，从补充代码1中可以发现，创建信号量之后立刻调用xSemaphoreGive函数，使得信号量由“空”变“满”。

    V8.X版本中使用xSemaphoreCreateBinary函数，使用该函数创建的信号量初始值为“空”，receive操作不会立刻返回。

3.参考代码

    示例代码具有一个128字节的串口接收缓冲区，在串口中断中把接收到的字符存入缓冲区中，一旦接收到回车换行符(\r\n)，便通过xSemaphoreGiveFromISR把信号量置“满”，打印任务中使用xSemaphoreTake实现于中断接收函数的同步， xSemaphoreTake把任务挂起，一旦查询到信号量为“满”，通过串口打印结束到的内容，并清空缓冲区。

    【示例代码】

/* Standard includes. */
#include 
#include 

/* Scheduler includes. */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"

/* Library includes. */
#include "stm32f10x.h"

#define LED0_ON()   GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);
#define LED0_OFF()  GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);

static void Setup(void);
static void PrintTask(void *pvParameters);

void LedInit(void);
void UART1Init(void);

uint8_t RxBuffer[128];
__IO uint8_t RxCounter = 0;

SemaphoreHandle_t xSemaphore;

int main(void)
{
    /* 初始化硬件平台 */
    Setup();
    
    /* 创建信号量 */
    xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();
    /* 建立Print任务 */
    xTaskCreate(PrintTask, "Print Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY+4, NULL);
    /* 启动OS */
    vTaskStartScheduler();
    
    return 0;
}

void PrintTask(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        if( xSemaphoreTake( xSemaphore, portMAX_DELAY ) == pdTRUE )
        {
            printf("receive:%s", RxBuffer);
            memset(RxBuffer, 0x00, 128);
            RxCounter = 0;
        }
    }
}

static void Setup( void )
{
    LedInit();
    UART1Init();
}

void LedInit( void )
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );
    /*LED0 @ GPIOB.5*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init( GPIOB, &GPIO_InitStructure );    
}

void UART1Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    
    /* 第1步：打开GPIO和USART时钟 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    
    /* 第2步：将USART1 Tx@PA9的GPIO配置为推挽复用模式 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    /* 第3步：将USART1 Rx@PA10的GPIO配置为浮空输入模式 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    /* 第4步：配置USART1参数
    波特率   = 9600
    数据长度 = 8
    停止位   = 1
    校验位   = No
    禁止硬件流控(即禁止RTS和CTS)
    使能接收和发送
    */
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    
    /* 第5步：使能 USART1， 配置完毕 */
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
    
    /* 清除发送完成标志 */
    USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TC);
    
    /* 使能USART1发送中断和接收中断，并设置优先级 */
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    /* 设定USART1 中断优先级 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = configLIBRARY_KERNEL_INTERRUPT_PRIORITY; 
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    /* 使能接收中断 */
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); 
}

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    /* 写一个字节到USART1 */
    USART_SendData(USART1, (uint8_t) ch);
    /* 等待发送结束 */
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET)
    {}
    return ch;
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
    static BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken;
    
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        RxBuffer[RxCounter++] = USART_ReceiveData(USART1);
        if (RxCounter > 2 && RxBuffer[RxCounter-2] == '\r' && RxBuffer[RxCounter-1] == '\n') {
            // 在中断中发送信号量
            xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken );
        }
    }
    
    portYIELD_FROM_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );
}

4.简单说明

SemaphoreHandle_t xSemaphore;

    信号量句柄，二值型信号量、数值型信号量和互斥型信号量均使用 SemaphoreHandle_t类型声明

xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

    创建信号量，V8.X版本中新增加函数，创建信号量时初值为“空”。

xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken );

    在中断中发送信号量，以FromISR结尾的函数具有保护功能，如果在任务中发送信号量可使用xSemaphoreGive。

xSemaphoreTake( xSemaphore, portMAX_DELAY );

    等待信号量，等待时间为最大等待时间，如果信号量为“空”任务会处于挂起状态。

5.在中断中使用RTOS API注意点

    【FromISR】

    应使用xSemaphoreGiveFromISR，而不是 xSemaphoreGive。

    【中断优先级设置】

    串口中断的优先级应该低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY（191，从另一个角度可以理解为11）设置的最高优先级，本文UART的响应优先级为configLIBRARY_KERNEL_INTERRUPT_PRIORITY（该宏的具体值为15，数值越大优先级越低）。

    【main.c】

/* 使能USART1发送中断和接收中断，并设置优先级 */

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

/* 设定USART1 中断优先级 */

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = configLIBRARY_KERNEL_INTERRUPT_PRIORITY;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    【FreeRTOSConfig.h】

/* This is the raw value as per the Cortex-M3 NVIC.  Values can be 255

(lowest) to 0 (1?) (highest). */

#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY     255

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY  191 /* equivalent to 0xb0, or priority 11. */

/* This is the value being used as per the ST library which permits 16

priority values, 0 to 15.  This must correspond to the

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY setting.  Here 15 corresponds to the lowest

NVIC value of 255. */

#define configLIBRARY_KERNEL_INTERRUPT_PRIORITY 15

    鉴于Cortex M3的NVIC的特性，请详细参考——【 在Cortex M3平台上运行FreeRTOS】

5.总结

    【1】V8.X中使用 xSemaphoreCreateBinary() 创建的信号量初始值为"空"。

    【2】中断中发送信号量尽量使用XXXXFromISR。

    【3】某中断的优先级数值应大于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY。

【 补充代码1 】——vSemaphoreCreateBinary函数实现代码

#define vSemaphoreCreateBinary( xSemaphore ) \
    { \
        ( xSemaphore ) = xQueueGenericCreate( ( unsigned portBASE_TYPE ) 1, semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE ); \
        if( ( xSemaphore ) != NULL ) \
        { \
            ( void ) xSemaphoreGive( ( xSemaphore ) ); \
        } \
    }

6.参考资料

【  STM32与FreeRTOS学习备忘，xSemaphoreGiveFromISR】