【FreeRTOS】同步互斥與通信 有缺陷的同步示例

目錄

  • 1 同步互斥與通信
    • 1.1 同步互斥與通信概述
    • 1.2 同步與互斥的概念
    • 1.3 同步的例子：有缺陷
    • 1.4 freertos.c源碼
      • 3. 互斥的例子：有缺陷
      • 4. 通信的例子：有缺陷
      • 5. FreeRTOS的解決方案

1 同步互斥與通信

1.1 同步互斥與通信概述

參考《FreeRTOS入門與工程實踐(基于DshanMCU-103)》里《第10章 同步互斥與通信》

本章是概述性的內容。可以把多任務系統當做一個團隊，里面的每一個任務就相當于團隊里的一個人。團隊成員之間要協調工作進度(同步)、爭用會議室(互斥)、溝通(通信)。多任務系統中所涉及的概念，都可以在現實生活中找到例子。

各類RTOS都會涉及這些概念：任務通知(task notification)、隊列(queue)、事件組(event group)、信號量(semaphoe)、互斥量(mutex)等。我們先站在更高角度來講解這些概念。

1.2 同步與互斥的概念

一句話理解同步與互斥：我等你用完廁所，我再用廁所。

什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用廁所，你等會。 什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用廁所，你不能進來。

同步與互斥經常放在一起講，是因為它們之的關系很大，“互斥”操作可以使用“同步”來實現。我“等”你用完廁所，我再用廁所。這不就是用“同步”來實現“互斥”嗎？

再舉一個例子。在團隊活動里，同事A先寫完報表，經理B才能拿去向領導匯報。經理B必須等同事A完成報表，AB之間有依賴，B必須放慢腳步，被稱為同步。在團隊活動中，同事A已經使用會議室了，經理B也想使用，即使經理B是領導，他也得等著，這就叫互斥。經理B跟同事A說：你用完會議室就提醒我。這就是使用"同步"來實現"互斥"。

有時候看代碼更容易理解，偽代碼如下：

 void  搶廁所(void){if (有人在用) 我瞇一會;用廁所;喂，醒醒，有人要用廁所嗎;}

1.3 同步的例子：有缺陷

程序：在06_create_task_use_params的基礎上，修改出12_task_sync_exclusion

創建兩個任務：一個用來執行大量的計算任務，另一個永年執行打印函數顯示OLED

xTaskCreate(                //加返回值是 判斷任務有沒有創建成功CalcTask,           //計算任務"Task1",            //聲音任務128,                //棧大小NULL,       //傳入的參數 g_Task1InfoosPriorityNormal,   //優先級默認NULL                //任務句柄 無);
xTaskCreate(                //加返回值是 判斷任務有沒有創建成功LcdPrintTask,       //LCD打印任務"Task1",            //聲音任務128,                //棧大小&g_Task2Info,       //傳入的參數 g_Task1InfoosPriorityNormal,   //優先級默認NULL                //任務句柄 無);

編寫這兩個函數

static struct TaskPrintInfo g_Task1Info = {0, 0, "Task1"};  // (0,0),Task1
static struct TaskPrintInfo g_Task2Info = {0, 3, "Task2"};  // (0,3),Task2
static struct TaskPrintInfo g_Task3Info = {0, 6, "Task3"};  // (0,6),Task3static int g_LCDCanUse = 1; //默認=1 能使用LCD
uint32_t g_sum = 0;   //定義一個計數值
static volatile int g_calc_end = 0; // 計算結束標志位,使用volatile不要用編譯器優化優化uint64_t g_time = 0;void CalcTask(void *params)
{uint32_t i = 0;     //定義一個計數值g_time = system_get_ns();   //獲取當前系統時間for (i = 0; i < 10000000; i ++){g_sum += i;}g_calc_end = 1; //計算完成標志位   置位g_time = system_get_ns() - g_time;  //運行這段任務消耗的時間vTaskDelete(NULL);  //計算完成殺死任務
}void LcdPrintTask(void *params)
{int len;while (1){LCD_PrintString(0, 0, "Waiting");// vTaskDelay(3000);while (g_calc_end == 0);    //等待/* 打印信息 */if (g_LCDCanUse){g_LCDCanUse = 0;LCD_ClearLine(0, 0);len = LCD_PrintString(0, 0, "Sum: ");LCD_PrintHex(len, 0, g_sum, 1);LCD_ClearLine(0, 2);len = LCD_PrintString(0, 2, "Time(ms): ");LCD_PrintSignedVal(len, 2, g_time/1000000); //打印消耗了多長時間g_LCDCanUse = 1;}vTaskDelete(NULL);  //任務自殺}
}

這里遇到了bug！！！

在這里插入圖片描述

  • 程序卡死在while循環里了，但是這個變量已經是1了，為什么程序會卡死在上面兩行匯編語句呢？？？

  • 原因是編譯器優化了我們的變量

對這個變量，執行while (g_calc_end == 0); 這條語句的時候，它會讀取內存，把變量的值放到CPU某個寄存器里，以后一直就判斷那個寄存器，但是這個寄存器得到的是原始的值，并沒有每次都去讀取內存

  • 這個變量是在其他任務里被修改的，那我們使用這個變量的時候，每次都需要讀內存！
  • 那怎么辦呢？？我們加上一個volatile就可以了

燒錄代碼運行
在這里插入圖片描述

計算10000000個數需要2.5S，真的是這樣的嗎？？？

我們現在有兩個任務

在這里插入圖片描述
他們是怎么調度的呢？
兩個任務優先級相同，A任務運行1ms，B任務運行1ms，A任務運行1ms，B任務運行1ms

在這里插入圖片描述

任務B執行的程序是死等，這也耗費了一半的時間，在任務B的開始就等待3S左右

vTaskDelay(3000);   //開始的時候我先等待3000Tick

加上這句等待3S之后，就變成了1278ms

在這里插入圖片描述

確實如此

這個死循環可以用其他方法來代替

  • 等任務A計算完成之后，用任務A喚醒任務B
  • 使用同步的時候，我們需要考慮如何提高處理器的性能！
  • 讓等待的任務阻塞，不參與CPU的調度！

這節課學習了同步的例子，有缺陷的例子

學習視頻：【FreeRTOS入門與工程實踐 --由淺入深帶你學習FreeRTOS（FreeRTOS教程 基于STM32，以實際項目為導向）】 【精準空降到 13:38】 https://www.bilibili.com/video/BV1Jw411i7Fz/?p=25&share_source=copy_web&vd_source=8af85e60c2df9af1f0fd23935753a933&t=818

1.4 freertos.c源碼

/* USER CODE BEGIN Header */
#include "driver_led.h"
#include "driver_lcd.h"
#include "driver_mpu6050.h"
#include "driver_timer.h"
#include "driver_ds18b20.h"
#include "driver_dht11.h"
#include "driver_active_buzzer.h"
#include "driver_passive_buzzer.h"
#include "driver_color_led.h"
#include "driver_ir_receiver.h"
#include "driver_ir_sender.h"
#include "driver_light_sensor.h"
#include "driver_ir_obstacle.h"
#include "driver_ultrasonic_sr04.h"
#include "driver_spiflash_w25q64.h"
#include "driver_rotary_encoder.h"
#include "driver_motor.h"
#include "driver_key.h"
#include "driver_uart.h"
#include "music.h"/********************************************************************************* File Name          : freertos.c* Description        : Code for freertos applications******************************************************************************* @attention** Copyright (c) 2023 STMicroelectronics.* All rights reserved.** This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file* in the root directory of this software component.* If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.********************************************************************************/
/* USER CODE END Header *//* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes *//* USER CODE END Includes *//* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD *//* USER CODE END PTD *//* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD *//* USER CODE END PD *//* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM *//* USER CODE END PM *//* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Variables */BaseType_t ret; // long
static TaskHandle_t xSoundTaskHandle;           // void *  在全局變量里記錄句柄static StackType_t g_pucStackOfLightTask[128];  // 變量前綴的意思是 全局變量g 指針p uint8_t類型uc的StackOfLightTask 光任務的棧
StaticTask_t g_TCBofLightTask;                  // 光任務的TCB
static TaskHandle_t xLightTaskHandle;           // void *  在全局變量里記錄句柄static StackType_t g_pucStackOfColorTask[128];  // 變量前綴的意思是 全局變量g 指針p uint8_t類型uc的StackOfLightTask 色任務的棧
StaticTask_t g_TCBofColorTask;                  // 色任務的TCB
static TaskHandle_t xColorTaskHandle;           // void *  在全局變量里記錄句柄/* USER CODE END Variables */
/* Definitions for defaultTask */
osThreadId_t defaultTaskHandle;
const osThreadAttr_t defaultTask_attributes = {.name = "defaultTask",.stack_size = 128 * 4,.priority = (osPriority_t) osPriorityNormal,
};/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN FunctionPrototypes */struct TaskPrintInfo{uint8_t x;      //定義坐標xuint8_t y;      //定義坐標ychar name[16];  //定義要打印輸出的內容，最多顯示16個字符
};static struct TaskPrintInfo g_Task1Info = {0, 0, "Task1"};  // (0,0),Task1
static struct TaskPrintInfo g_Task2Info = {0, 3, "Task2"};  // (0,3),Task2
static struct TaskPrintInfo g_Task3Info = {0, 6, "Task3"};  // (0,6),Task3static int g_LCDCanUse = 1; //默認=1 能使用LCD
uint32_t g_sum = 0;   //定義一個計數值
static volatile int g_calc_end = 0; // 計算結束標志位,使用volatile不要用編譯器優化優化uint64_t g_time = 0;void CalcTask(void *params)
{uint32_t i = 0;     //定義一個計數值g_time = system_get_ns();   //獲取當前系統時間for (i = 0; i < 10000000; i ++){g_sum += i;}g_calc_end = 1; //計算完成標志位   置位g_time = system_get_ns() - g_time;  //運行這段任務消耗的時間vTaskDelete(NULL);  //計算完成殺死任務
}void LcdPrintTask(void *params)
{int len;while (1){LCD_PrintString(0, 0, "Waiting");vTaskDelay(3000);   //開始的時候我先等待3000Tickwhile (g_calc_end == 0);    //等待/* 打印信息 */if (g_LCDCanUse){g_LCDCanUse = 0;LCD_ClearLine(0, 0);len = LCD_PrintString(0, 0, "Sum: ");LCD_PrintHex(len, 0, g_sum, 1);LCD_ClearLine(0, 2);len = LCD_PrintString(0, 2, "Time(ms): ");LCD_PrintSignedVal(len, 2, g_time/1000000); //打印消耗了多長時間g_LCDCanUse = 1;}vTaskDelete(NULL);  //任務自殺}
}
/* USER CODE END FunctionPrototypes */void StartDefaultTask(void *argument);void MX_FREERTOS_Init(void); /* (MISRA C 2004 rule 8.1) *//*** @brief  FreeRTOS initialization* @param  None* @retval None*/
void MX_FREERTOS_Init(void) {/* USER CODE BEGIN Init */LCD_Init();LCD_Clear();/* USER CODE END Init *//* USER CODE BEGIN RTOS_MUTEX *//* add mutexes, ... *//* USER CODE END RTOS_MUTEX *//* USER CODE BEGIN RTOS_SEMAPHORES *//* add semaphores, ... *//* USER CODE END RTOS_SEMAPHORES *//* USER CODE BEGIN RTOS_TIMERS *//* start timers, add new ones, ... *//* USER CODE END RTOS_TIMERS *//* USER CODE BEGIN RTOS_QUEUES *//* add queues, ... *//* USER CODE END RTOS_QUEUES *//* Create the thread(s) *//* creation of defaultTask *///  defaultTaskHandle = osThreadNew(StartDefaultTask, NULL, &defaultTask_attributes);/* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS *//* add threads, ... *///  /* 創建任務：聲 */
//  // 先創建一個動態分配內存的任務
//  ret = xTaskCreate(                //加返回值是 判斷任務有沒有創建成功
//            PlayMusic,          //孤勇者的函數
//            "SoundTask",        //聲音任務
//            128,                //棧大小
//            NULL,               //無傳入的參數
//            osPriorityNormal,   //優先級默認
//            & xSoundTaskHandle  //任務句柄
//            );//  
//  /* 創建任務：光 */ 
//  // 創建一個靜態分配內存的任務
//  xLightTaskHandle = xTaskCreateStatic(
//            Led_Test,           //LED測試函數，PC13以500ms間隔亮滅一次
//            "LightTask",        //光任務
//            128,                //棧大小，這里提供了棧的大小（長度）
//            NULL,               //無傳入的參數
//            osPriorityNormal,   //優先級默認
//            g_pucStackOfLightTask,  // 靜態分配的棧，一個buffer，這里只提供了首地址，長度就是棧的大小，最開始棧的類型不對，棧的類型uint32_t
//            &g_TCBofLightTask       // 取址TCB
//  );
//  
//  /* 創建任務：色 */ 
//  xColorTaskHandle = xTaskCreateStatic(
//            ColorLED_Test,           //LED測試函數，PC13以500ms間隔亮滅一次
//            "ColorTask",        //光任務
//            128,                //棧大小，這里提供了棧的大小（長度）
//            NULL,               //無傳入的參數
//            osPriorityNormal,   //優先級默認
//            g_pucStackOfColorTask,  // 靜態分配的棧，一個buffer，這里只提供了首地址，長度就是棧的大小
//            &g_TCBofColorTask       // 取址TCB
//  );xTaskCreate(                //加返回值是 判斷任務有沒有創建成功CalcTask,           //計算任務"Task1",            //聲音任務128,                //棧大小NULL,       //傳入的參數 g_Task1InfoosPriorityNormal,   //優先級默認NULL                //任務句柄 無);xTaskCreate(                //加返回值是 判斷任務有沒有創建成功LcdPrintTask,       //LCD打印任務"Task1",            //聲音任務128,                //棧大小&g_Task2Info,       //傳入的參數 g_Task1InfoosPriorityNormal,   //優先級默認NULL                //任務句柄 無);/* USER CODE END RTOS_THREADS *//* USER CODE BEGIN RTOS_EVENTS *//* add events, ... *//* USER CODE END RTOS_EVENTS */
}
/* USER CODE BEGIN Header_StartDefaultTask *//*** @brief  Function implementing the defaultTask thread.* @param  argument: Not used* @retval None*/
/* USER CODE END Header_StartDefaultTask */
void StartDefaultTask(void *argument)
{/* USER CODE BEGIN StartDefaultTask *//* Infinite loop */LCD_Init();LCD_Clear();for(;;){//Led_Test();//LCD_Test();//MPU6050_Test(); //DS18B20_Test();//DHT11_Test();//ActiveBuzzer_Test();//PassiveBuzzer_Test();//ColorLED_Test();IRReceiver_Test();  //影//IRSender_Test();//LightSensor_Test();//IRObstacle_Test();//SR04_Test();//W25Q64_Test();//RotaryEncoder_Test();//Motor_Test();//Key_Test();//UART_Test();}/* USER CODE END StartDefaultTask */
}/* Private application code --------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Application *//* USER CODE END Application */

在這里插入圖片描述

3. 互斥的例子：有缺陷

講解這個程序"06_create_task_use_params"的互斥缺陷。

4. 通信的例子：有缺陷

5. FreeRTOS的解決方案

  • 正確性

  • 效率：等待者要進入阻塞狀態

  • 多種解決方案

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模具監視器的選擇要點涉及多個方面&#xff0c;以確保其能夠滿足實際生產需求并提高生產效率。以下是一些關鍵的選擇要點&#xff1a; 一、性能和穩定性 監控精度&#xff1a;選擇模具監視器時&#xff0c;首先要考慮其監控精度&#xff0c;包括溫度、壓力、注射速度等參數的…
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