FreeRTOS 中断管理之延迟中断处理 -- 二值信号量同步

3.1 概览

3.1.1 事件：嵌入式实时操作系统需要对整个系统环境产生的事件作出反应，例如：按一下按键，灯闪一下

3.1.2 ISR 中断服务函数尽量越短越好，应快速执行完，然后退出中断服务函数

3.1.3 在中断服务函数中只能使用以 FromISR 或 FROM_ISR结尾的函数或宏

3.2 延迟中断处理

3.2.1 采用二值信号量同步

二值信号量可以在某个特殊的中断发生时，让任务解除阻塞，相当于让任务与中断同步。这样就可以让中断事件处理量大的工作在同步任务中完成，中断服务例程(ISR)中只是快速处理少部份工作。如此，中断处理可以说是被”推迟(deferred)”到一个”处理(handler)”任务。
如果某个中断处理要求特别紧急，可以将其延迟处理任务的优先级可以设为最高，以保证延迟处理任务随时都抢占系统中的其它任务。这样，延迟处理任务就成为其对应的 ISR退出后第一个执行的任务，在时间上紧接着 ISR 执行，相当于所有的处理都在 ISR 中完成一样。

延迟处理任务对一个信号量进行带阻塞性质的”take”调用，意思是进入阻塞态以等待事件发生。当事件发生后，ISR 对同一个信号量进行”give”操作，使得延迟处理任务解除阻塞，从而事件在延迟处理任务中得到相应的处理。

3.2.2 信号量的P、V 操作：take - P 操作，give - V操作

P 源自荷兰语 Parsseren，即英语的 Pass；V 源自荷兰语 Verhoog，即英语的 Increment。P(S)/V(S)操作是信号量的两个原子操作，S 为信号量 Semaphore，相当于一个标志，可以代表一个资源，一个事件等等，初始值视应用场合而定。
P(S) / V(S)原子操作有如下行为：
P(S) : IF (S <= 0) THEN 将本线程加入 S 的等待队列
S = S – 1
V(S) : S = S + 1
IF (S > 0) THEN 唤醒某个等待线程

在这种中断同步的情形下，信号量可以看作是一个深度为 1 的队列。这个队列由于最多只能保存一个数据单元，所以其不为空则为满(所谓”二值”)。延迟处理任务调用xSemaphoreTake()时，等效于带阻塞时间地读取队列，如果队列为空的话任务则进入阻塞态。当事件发生后，ISR 简单地通过调用 xSemaphoreGiveFromISR()放置一个令牌(信号量)到队列中，使得队列成为满状态。这也使得延迟处理任务切出阻塞态，并移除令牌，使得队列再次成为空。当任务完成处理后，再次读取队列，发现队列为空，又进入阻塞态，等待下一次事件发生。
中断给出信号量，甚至是在信号量第一次被获取之前就给出；而任务在获取信号量之后再也不给回来。在其它场合下，任务获得(Take)了信号量之后，必须得给(Give)回来。

3.3 创建信号量 vSemaphoreCreateBinary(xSemaphore)

FreeRTOS 中各种信号量的句柄都存储在 xSemaphoreHandle 类型的变量中。在使用信号量之前，必须先创建它

typedef void * QueueHandle_t;

typedef QueueHandle_t SemaphoreHandle_t;

#define xSemaphoreHandle    SemaphoreHandle_t

SemaphoreHandle_t xSemaphore = NULL;

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

3.3.1 参数1：xSemaphore，void * 类型的，创建的信号量

需要说明的是 vSemaphoreCreateBinary()在实现上是一个宏，所以信号量变量应当直接传入，而不是传址。信号量 API 实际上是由一组宏实现的，而不是函数。

3.4 获取信号量，P操作， xSemaphoreTake(xSemaphore, xBlockTime)

#define xSemaphoreTake(xSemaphore, xBlockTime)    xQueueGenericReceive((QueueHandle_t)(xSemaphore), NULL, (xBlockTime), pdFALSE)

“带走(Taking)”一个信号量意为”获取(Obtain)”或”接收(Receive)”信号量。只有当信号量有效的时候才可以被获取。在经典信号量术中，xSemaphoreTake()等同于一次 P()操作。
除互斥信号量外，所有类型的信号量都可以调用函数 xSemaphoreTake() 来获取。
xSemaphoreTake()不能在中断服务函数中调用。

3.5 给出信号量，V操作， xSemaphoreGiveFromISR(xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken)

除互斥信号量外， FreeRTOS 支持的其它类型的信号量都可以通过调用 xSemaphoreGiveFromISR() 给出
xSemaphoreGiveFromISR() 是 xSemaphoreGive() 的特殊形式，专门用于中断服务例程中。

3.6 在STM32系列单片机上，软件模拟产生一个中断

static void vPeriodicTask(void *pvParameters)
{
	for(;;)
	{
		/* 此任务通过每500毫秒产生一个软件中断来”模拟”中断事件 */
		vTaskDelay( 500 / portTICK_RATE_MS );

		/* 产生中断，并在产生之前和之后输出信息，以便在执行结果中直观直出执行流程 */

		printf("Periodic task - About to generate an interrupt.\r\n");

		NVIC_SetPendingIRQ(IRQn); // creat a interrupt by stm32fxx mcu

		printf("Periodic task - Interrupt generated.\r\n\r\n\r\n");
	}
}

3.7 中断延迟服务函数，在退出中断服务函数后会立马执行该中断延迟任务，P操作

static void vHandlerTask( void *pvParameters )
{
	for( ;; )
	{
		/* P operation, 使用信号量等待一个事件。任务被无超时阻塞, 该任务运行到这里会被挂起 vHandlerTask, 后面的不会执行了, 直到等到了信号量才会再次运行。此处也没有必要检测返回值 */
		xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY);

		/* 程序运行到这里时，事件必然已经发生。本例的事件处理只是简单地打印输出一个信息 */
		printf("Handler task - Processing event.\r\n");
	}
}

3.8 中断服务函数，软件触发中断，然后执行中断服务函数，给出信号量，V操作，然后跳转到中断延迟服务函数

static void IRQHandler(void)
{
	static portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken;

	xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

	/* 'Give' the semaphore to unblock the task. V operation*/
	xSemaphoreGiveFromISR(xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);

	if (pdTRUE == xHigherPriorityTaskWoken)
	{
		portYIELD();
	}
}

3.9 在主函数中创建信号量 & 任务

int main(void)
{
	vSemaphoreCreateBinary(xBinarySemaphore); // create a semaphore

	NVIC_SetPriority(IRQn, priority); // set a soft interrupt for stm32fxx mcu

	// check wether the semaphore has been created success
	if(xBinarySemaphore != NULL)
	{
		/* 创建延迟处理任务。此任务将与中断同步。延迟处理任务在创建时使用了一个较高的优先级，以保证中断退出后会被立即执行。在本例中，为延迟处理任务赋予优先级3 */
		xTaskCreate(vHandlerTask, "Handler", 1000, NULL, 3, NULL);

		/* 创建一个任务用于周期性产生软件中断。此任务的优先级低于延迟处理任务。每当延迟处理任务切出阻塞态，就会抢占周期任务*/
		xTaskCreate(vPeriodicTask, "Periodic", 1000, NULL, 1, NULL);

		vTaskStartScheduler();
	}

	for(;;)
	{
	}
}

3.10 任务执行流程，任务切换过程