【FreeRTOS】同步互斥与通信 有缺陷的同步示例

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1 同步互斥与通信

1.1 同步互斥与通信概述

参考《FreeRTOS入门与工程实践(基于DshanMCU-103)》里《第10章 同步互斥与通信》

本章是概述性的内容。可以把多任务系统当做一个团队，里面的每一个任务就相当于团队里的一个人。团队成员之间要协调工作进度(同步)、争用会议室(互斥)、沟通(通信)。多任务系统中所涉及的概念，都可以在现实生活中找到例子。

各类RTOS都会涉及这些概念：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)等。我们先站在更高角度来讲解这些概念。

1.2 同步与互斥的概念

一句话理解同步与互斥：我等你用完厕所，我再用厕所。

什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你等会。 什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你不能进来。

同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，“互斥”操作可以使用“同步”来实现。我“等”你用完厕所，我再用厕所。这不就是用“同步”来实现“互斥”吗？

再举一个例子。在团队活动里，同事A先写完报表，经理B才能拿去向领导汇报。经理B必须等同事A完成报表，AB之间有依赖，B必须放慢脚步，被称为同步。在团队活动中，同事A已经使用会议室了，经理B也想使用，即使经理B是领导，他也得等着，这就叫互斥。经理B跟同事A说：你用完会议室就提醒我。这就是使用"同步"来实现"互斥"。

有时候看代码更容易理解，伪代码如下：

 void  抢厕所(void){if (有人在用) 我眯一会;用厕所;喂，醒醒，有人要用厕所吗;}

1.3 同步的例子：有缺陷

程序：在06_create_task_use_params的基础上，修改出12_task_sync_exclusion

创建两个任务：一个用来执行大量的计算任务，另一个永年执行打印函数显示OLED

xTaskCreate(                //加返回值是 判断任务有没有创建成功CalcTask,           //计算任务"Task1",            //声音任务128,                //栈大小NULL,       //传入的参数 g_Task1InfoosPriorityNormal,   //优先级默认NULL                //任务句柄 无);
xTaskCreate(                //加返回值是 判断任务有没有创建成功LcdPrintTask,       //LCD打印任务"Task1",            //声音任务128,                //栈大小&g_Task2Info,       //传入的参数 g_Task1InfoosPriorityNormal,   //优先级默认NULL                //任务句柄 无);

编写这两个函数

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; //默认=1 能使用LCD
uint32_t g_sum = 0;   //定义一个计数值
static volatile int g_calc_end = 0; // 计算结束标志位,使用volatile不要用编译器优化优化uint64_t g_time = 0;void CalcTask(void *params)
{uint32_t i = 0;     //定义一个计数值g_time = system_get_ns();   //获取当前系统时间for (i = 0; i < 10000000; i ++){g_sum += i;}g_calc_end = 1; //计算完成标志位   置位g_time = system_get_ns() - g_time;  //运行这段任务消耗的时间vTaskDelete(NULL);  //计算完成杀死任务
}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); //打印消耗了多长时间g_LCDCanUse = 1;}vTaskDelete(NULL);  //任务自杀}
}

这里遇到了bug！！！

• 程序卡死在while循环里了，但是这个变量已经是1了，为什么程序会卡死在上面两行汇编语句呢？？？

• 原因是编译器优化了我们的变量

对这个变量，执行while (g_calc_end == 0); 这条语句的时候，它会读取内存，把变量的值放到CPU某个寄存器里，以后一直就判断那个寄存器，但是这个寄存器得到的是原始的值，并没有每次都去读取内存

• 这个变量是在其他任务里被修改的，那我们使用这个变量的时候，每次都需要读内存！
• 那怎么办呢？？我们加上一个volatile就可以了

烧录代码运行

计算10000000个数需要2.5S，真的是这样的吗？？？

我们现在有两个任务

他们是怎么调度的呢？
两个任务优先级相同，A任务运行1ms，B任务运行1ms，A任务运行1ms，B任务运行1ms

任务B执行的程序是死等，这也耗费了一半的时间，在任务B的开始就等待3S左右

vTaskDelay(3000);   //开始的时候我先等待3000Tick

加上这句等待3S之后，就变成了1278ms

确实如此

这个死循环可以用其他方法来代替

• 等任务A计算完成之后，用任务A唤醒任务B
• 使用同步的时候，我们需要考虑如何提高处理器的性能！
• 让等待的任务阻塞，不参与CPU的调度！

这节课学习了同步的例子，有缺陷的例子

学习视频：【FreeRTOS入门与工程实践 --由浅入深带你学习FreeRTOS（FreeRTOS教程 基于STM32，以实际项目为导向）】 【精准空降到 13:38】 https://www.bilibili.com/video/BV1Jw411i7Fz/?p=25&share_source=copy_web&vd_source=8af85e60c2df9af1f0fd23935753a933&t=818

1.4 freertos.c源码

/* 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 *  在全局变量里记录句柄static StackType_t g_pucStackOfLightTask[128];  // 变量前缀的意思是 全局变量g 指针p uint8_t类型uc的StackOfLightTask 光任务的栈
StaticTask_t g_TCBofLightTask;                  // 光任务的TCB
static TaskHandle_t xLightTaskHandle;           // void *  在全局变量里记录句柄static StackType_t g_pucStackOfColorTask[128];  // 变量前缀的意思是 全局变量g 指针p uint8_t类型uc的StackOfLightTask 色任务的栈
StaticTask_t g_TCBofColorTask;                  // 色任务的TCB
static TaskHandle_t xColorTaskHandle;           // void *  在全局变量里记录句柄/* 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;      //定义坐标xuint8_t y;      //定义坐标ychar name[16];  //定义要打印输出的内容，最多显示16个字符
};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; //默认=1 能使用LCD
uint32_t g_sum = 0;   //定义一个计数值
static volatile int g_calc_end = 0; // 计算结束标志位,使用volatile不要用编译器优化优化uint64_t g_time = 0;void CalcTask(void *params)
{uint32_t i = 0;     //定义一个计数值g_time = system_get_ns();   //获取当前系统时间for (i = 0; i < 10000000; i ++){g_sum += i;}g_calc_end = 1; //计算完成标志位   置位g_time = system_get_ns() - g_time;  //运行这段任务消耗的时间vTaskDelete(NULL);  //计算完成杀死任务
}void LcdPrintTask(void *params)
{int len;while (1){LCD_PrintString(0, 0, "Waiting");vTaskDelay(3000);   //开始的时候我先等待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); //打印消耗了多长时间g_LCDCanUse = 1;}vTaskDelete(NULL);  //任务自杀}
}
/* 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, ... *///  /* 创建任务：声 */
//  // 先创建一个动态分配内存的任务
//  ret = xTaskCreate(                //加返回值是 判断任务有没有创建成功
//            PlayMusic,          //孤勇者的函数
//            "SoundTask",        //声音任务
//            128,                //栈大小
//            NULL,               //无传入的参数
//            osPriorityNormal,   //优先级默认
//            & xSoundTaskHandle  //任务句柄
//            );//  
//  /* 创建任务：光 */ 
//  // 创建一个静态分配内存的任务
//  xLightTaskHandle = xTaskCreateStatic(
//            Led_Test,           //LED测试函数，PC13以500ms间隔亮灭一次
//            "LightTask",        //光任务
//            128,                //栈大小，这里提供了栈的大小（长度）
//            NULL,               //无传入的参数
//            osPriorityNormal,   //优先级默认
//            g_pucStackOfLightTask,  // 静态分配的栈，一个buffer，这里只提供了首地址，长度就是栈的大小，最开始栈的类型不对，栈的类型uint32_t
//            &g_TCBofLightTask       // 取址TCB
//  );
//  
//  /* 创建任务：色 */ 
//  xColorTaskHandle = xTaskCreateStatic(
//            ColorLED_Test,           //LED测试函数，PC13以500ms间隔亮灭一次
//            "ColorTask",        //光任务
//            128,                //栈大小，这里提供了栈的大小（长度）
//            NULL,               //无传入的参数
//            osPriorityNormal,   //优先级默认
//            g_pucStackOfColorTask,  // 静态分配的栈，一个buffer，这里只提供了首地址，长度就是栈的大小
//            &g_TCBofColorTask       // 取址TCB
//  );xTaskCreate(                //加返回值是 判断任务有没有创建成功CalcTask,           //计算任务"Task1",            //声音任务128,                //栈大小NULL,       //传入的参数 g_Task1InfoosPriorityNormal,   //优先级默认NULL                //任务句柄 无);xTaskCreate(                //加返回值是 判断任务有没有创建成功LcdPrintTask,       //LCD打印任务"Task1",            //声音任务128,                //栈大小&g_Task2Info,       //传入的参数 g_Task1InfoosPriorityNormal,   //优先级默认NULL                //任务句柄 无);/* 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 */

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3. 互斥的例子：有缺陷

讲解这个程序"06_create_task_use_params"的互斥缺陷。

4. 通信的例子：有缺陷

5. FreeRTOS的解决方案

• 正确性

• 效率：等待者要进入阻塞状态

• 多种解决方案