【小黑嵌入式系统第十五课】μC/OS-III程序设计基础(四)——消息队列(工作方式&数据通信&生产者消费者模型)、动态内存管理、定时器管理

上一课:
【小黑嵌入式系统第十四课】μC/OS-III程序设计基础(三)——信号量(任务同步&资源同步)、事件标记组(与&或&多个任务)



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文章目录

    • 1 消息队列
      • 1.1 简介
        • 1.1.1 向消息队列发送消息
        • 1.1.2 从消息队列接收消息
      • 1.2 消息队列的状态
      • 1.3 消息队列的工作方式
        • 1.一对一
        • 2.多对一
        • 3.一对多
      • 1.3 数据通信
      • 1.4 多任务接收数据
      • 1.5 任务间同步
      • 1.6 任务消息队列
      • 1.7生产者消费者模型
    • 2 动态内存管理
      • 2.1 简介
      • 2.2 函数列表
      • 2.3 数据通信
    • 3 定时器管理
      • 3.1 简介


1 消息队列

1.1 简介

一个任务或者ISR有时需要和另一个任务交流信息,这个信息传递的过程称为任务间(或ISR与任务间)的通信。有两种途径可实现:全局变量消息队列

方式1:通过全局变量

全局变量为共享资源,每个任务或ISR在使用它时都必须保证对其的独占性。若有ISR参与使用,则唯一能保证对共享变量独占访问的方法就是关中断;如果只是任务间共享全局变量,则可通过——关中断、给调度器上锁、使用信号量或者互斥信号量。

(这里假定对全局变量的操作不能在一条CPU指令中完成)

注意:
任务要想与ISR通信(发送信息ISR,注意方向),只能通过全局变量;
若ISR修改了全局变量值,任务并不能知道,除非ISR通知任务(如发送信号量等方式),或者任务定期地查询全局变量的值。


方式2:通过消息队列

消息可以通过消息队列作为中介发送给任务,也可直接发送给任务(μC/OS-III中,每个任务都有其内建的消息队列,称为任务消息队列,任务消息队列在任务创建时自动建立)。

  • 当有多个任务在等待消息的时候,使用外部的消息队列;
  • 如果只有一个任务需要接收消息,可以使用该任务的任务消息队列直接向其发送消息。

任务在等待消息时不占用CPU时间

另外需注意:发送的消息不会被复制一份再放置到消息队列中,而是使用引用传递。因此需保证消息内容在接收消息的任务代码内可见。(不能在任务接收到消息时,该消息内容已无效了(如用自动变量保存消息内容而此时自动变量却已被释放))


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消息队列就象一个类似于缓冲区的对象,可以实现同步和数据通信。

消息队列具有一定的容量,可以容纳多条消息。

消息队列中的消息一般按照先入先出(FIFO)的方式放置,但在需要时也可安排为后入先出(LIFO,在发布消息时选择)。

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1.1.1 向消息队列发送消息

当任务往消息队列中发送消息时,可选择只将该消息发送给一个任务。当前等待消息的任务中只有最高优先级的那个将接收到消息,或最先进入等待消息列表的(同优先级)任务。

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注:也可选择以广播的形式发送消息,那么所有“等待此消息的”任务都将获得该消息。


如果没有任务在等待消息队列的消息,则发送消息时会判断消息队列当前是否已满 。

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1.1.2 从消息队列接收消息

消息队列中已存在消息,通过内核服务将消息传递给等待消息的任务中优先级最高的任务,或最先进入等待消息任务列表的(同优先级)任务。

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如果消息队列为空,则等待消息的任务被放入等待消息的任务列表中,直到有其它任务向消息队列发送消息后,该任务才能结束等待状态或在等待超时的情况下运行。

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OSQPend()函数允许用户定义一个最长的等待时间Timeout作为它的参数,这样可以避免该任务无休止地等待下去。

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内核提供以下消息队列服务:

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  • 等待消息的到来(PEND);
  • 将消息放入队列中去(POST);
  • 清空消息队列
  • 消息队列初始化,队列初始化时总是清为空;

与信号量相比,消息队列不仅可以实现同步,而且通过缓冲的方式来传递多个数据信息,从而避免了信息的丢失或混乱。


1.2 消息队列的状态

消息队列有3种状态,即空状态(消息队列中没有任何消息)、满状态(消息队列中的每个存储单元都存放了消息)、正常状态(消息队列中消息但又没有到满的状态)。

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1.3 消息队列的工作方式

1.一对一

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2.多对一

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3.一对多

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多对多与全双工的工作方式也可实现,但不常见。


1.3 数据通信

让一个LED以传递过来的参数确定点亮时间,以此示例来说明如何使用消息队列来实现任务之间的数据通信,假设TaskLED为高优先级的任务。两个任务的处理流程如下。

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LED任务的代码如下。

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发送延时参数任务SendDly的代码如下。

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1.4 多任务接收数据

为了说明如何使用消息队列来实现多任务接收数据,我们设计一个系统,按键一按下,LED按照指定节奏闪烁,蜂鸣器按照指定节奏鸣响。三个任务的处理流程如下。

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1.5 任务间同步

TaskKEY任务主要代码如下。

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LED任务的代码如下。

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Beep任务主要代码如下。

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1.6 任务消息队列

在μC/OS-III中,每个任务都有它自己的内嵌消息队列,称为任务消息队列。任务消息队列是在任务创建OSTaskCreate()时创建的,因此任务创建之后便可以直接使用。

任务消息队列使用起来更方便。

当用户明确知道该给哪个任务发消息时,此时就可以使用任务消息队列。

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μC/OS-III中的任务消息队列服务函数以OSTaskQ???()命名。

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使用任务消息队列做任务间的通信,可参考示例程序:“Micrium_CY8CKIT-050B_uCOS-III-Q_GNU(PSoC Creator 4.0).rar


1.7生产者消费者模型

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使用一个计数型信号量,初值为允许生产者发布的消息数目。如:消费者最多缓存10则消息,则该计数型信号量的初值为10。

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2 动态内存管理

2.1 简介

ANSI C中,可以使用malloc()free()两个函数来动态分配内存,在嵌入式系统中,它们一般也是可用的,但并不适合。如图为被两个函数分配过的内存区。

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为了避免上面的问题,μC/OS-III自己设计了一套动态内存分配系统。μC/OS-III的动态内存分配是以块为单位分配的,一次只能分配一个块,块的大小可以由用户来定义。

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μC/OS-III的动态内存管理是数据队列的绝佳伴侣,配合使用异常方便 。


2.2 函数列表

将os_cfg.h中的宏OS_CFG_MEM_EN设置为1即可使能存储管理服务。

动态内存管理的3个系统函数:

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2.3 数据通信

让一个LED以传递过来的参数确定点亮时间,以此示例来说明如何用动态内存管理来实现数据通信。两个任务的处理流程如下。

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LED任务的代码如下。

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发送消息任务SendDly的代码如下。

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3 定时器管理

3.1 简介

μC/OS-III可为应用程序提供定时器及相关服务,它和系统内部任务“定时器任务”相关,定时器服务的启动由os_cfg.h中的宏OS_CFG_TMR_EN设定。

这里的定时器是软件方式实现的递减定时器,共用时钟节拍任务中的时钟节拍硬件定时器。因此时间分辨率不会超过时钟节拍定时器。通常设置为比较粗的时间分辨率。

定时器的计数值减为0时,会引发一个操作,该操作由操作系统调用一个用户定义的回调函数(运行在定时器任务环境中)来实现。

定时器的使用比较简单,详情请见μC/OS-III电子书的第12章“定时器管理”。

关于(软件)定时器的使用,可参考示例程序:
Micrium_CY8CKIT-050B_uCOS-III-Sem-ISR-Tmr_GNU(PSoC Creator 4.0).rar

关于任务信号量、任务消息队列,最后提供一个实际应用示例项目:
CY8CKIT-050B_uCOS-III-DispShift-TkQ_GNU(PSoC Creator 4.0).rar

该项目基于μC/OS-III 操作系统实现,它使用LCD1602,演示了当 LCD 显示区域不足以显示出全部文字时,如何对 LCD 显示内容进行循环移动,分批显示出文字的各个部分。在无操作系统的情况下,要实现令人满意的同样效果,则会遇到许多不易解决的麻烦。

LCD 的显示内容可以在运行时更改,通过给 LCD 显示任务发任务消息的方式来告知新的显示数据和请求源的属性。

程序适用于具有1~4行显示能力的、HD44780 控制器兼容的 LCD 模块。

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