RTX——第14章 信号量

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本章节开始讲解 RTX 的另一个重要的任务间的同步和资源共享机制，信号量。

信号量有3种用途：

1) 表达事件的发生次数或者已发生事件的数量。

2) 表达资源可用性，例如有一台打印机，信号量值为1表示打印机空闲， 为0表示打印机被占用。这是资源可用量的一个特例，也可以说，信号量值为1表示有1台打印机空闲，为0表示无打印机空闲。

3) 表达资源可用量，例如有10个串口，信号量值用于表达空闲串口数量

实际的应用中，信号量的作用又该如何体现呢？比如有个 30 人的电脑机房，我们就可以创建信号量
的初始化值是 30，表示 30 个可用资源，不理解的初学者表示信号量还有初始值？是的，信号量说白了就
是共享资源的数量。 另外我们要求一个同学使用一台电脑，这样每有一个同学使用一台电脑，那么信号量
的数值就减一，直到 30 台电脑都被占用，此时信号量的数值就是 0。 如果此时还有几个同学没有电脑可
以使用，那么这几个同学就得等待，直到有同学离开，有一个同学离开，那么信号量的数值就加 1，有两
个就加 2，依次类推。刚才没有电脑用的同学此时就有电脑可以用了，有几个同学用，信号量就减几，直
到再次没有电脑可以用，这么一个过程就是使用信号量来管理共享资源的过程。
平时使用信号量主要实现以下两个功能：
 两个任务或者中断函数跟任务之间的同步功能，这个和上章节讲解的事件标志组是类似的。其实就是
共享资源为 1 的时候。
 多个共享资源的管理，就像上面举的机房上机的例子。

RTX 任务间信号量的实现

运行条件：
 创建 2 个任务 Task1 和 Task2。
 创建信号量可用资源为 1。
运行过程描述如下：
 任务 Task1 运行过程中调用函数 os_sem_wait 获取信号量资源，如果信号量没有被任务 Task2 占用，
Task1 将直接获取资源。 如果信号被 Task2 占用，任务 Task1 将由运行态转到挂起状态，等待资源
可用。一旦获取了资源并使用完毕后会通过函数 os_sem_send 释放掉资源。
 任务 Task2 运行过程中调用函数 os_sem_wait 获取信号量资源，如果信号量没有被任务 Task2 占用，
Task1 将直接获取资源。 如果信号被 Task2 占用，任务 Task1 将由运行态转到挂起状态，等待资源
可以。一旦获取了资源并使用完毕后会通过函数 os_sem_send 释放掉资源。
上面就是一个简单 RTX 任务间信号量的使用过程。

RTX 中断方式信号量的实现
RTX 中断方式信号量的实现是指中断函数和 RTX 任务之间使用信号量。 信号量的中断方式主要是用
于实现任务同步，与上个章节讲解事件标志组中断方式是一样的。
下面我们通过如下的框图来说明一下 RTX 中断方式信号量的实现，让大家有一个形象的认识。

运行条件：
 创建 1 个任务 Task1 和一个串口接收中断。
 信号量的初始值为 0，串口中断调用函数 isr_sem_send 释放信号量，任务 Task1 调用函数
os_sem_wait 获取信号量资源。
运行过程描述如下：
 任务 Task1 运行过程中调用函数 os_sem_wait，由于信号量的初始值是 0，没有信号量资源可用，任
务 Task1 由运行态进入到挂起态。
 Task1 挂起的情况下，串口接收到数据进入到了串口中断服务程序，在串口中断服务程序中调用函数
isr_sem_send 释放信号量资源，信号量数值加 1，此时信号量计数值为 1，任务 Task1 由挂起态进
入到就绪态，在调度器的作用下由就绪态又进入到运行态，任务 Task1 获得信号量后，信号量数值减
1，此时信号量计数值又变成了 0。
 再次循环执行时，任务 Task1 调用函数 os_sem_wait 由于没有资源可用再次进入到挂起态，等待串
口释放信号量资源，如此往复循环。
上面就是一个简单 RTX 中断方式信号量同步过程。 实际应用中，中断方式的消息机制切记注意以下四个个
问题：

 中断函数的执行时间越短越好，防止其它低于这个中断优先级的异常不能得到及时响应。
 实际应用中，建议不要在中断中实现消息处理，用户可以在中断服务程序里面发送消息通知任务，在
任务中实现消息处理，这样可以有效的保证中断服务程序的实时响应。同时此任务也需要设置为高优
先级，以便退出中断函数后任务可以得到及时执行。
 中断服务程序中一定要调用专用于中断的信号量设置函数 isr_sem_send。
 在 RTX 操作系统中实现中断函数和裸机编程是一样的。
 另外强烈推荐用户将 Cortex-M3 内核的 STM32F103 和 Cortex-M4 内核的 STM32F407，429 的
NVIC 优先级分组设置为 4,即：NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);这样中断
优先级的管理将非常方便。
 用户要在 RTX 多任务开启前就设置好优先级分组，一旦设置好切记不可再修改。

信号量 API 函数
使用如下 4 个函数可以实现 RTX 的信号量：
 os_sem_init
 os_sem_send
 isr_sem_send
 os_sem_wait

函数 os_sem_init
函数原型：
void os_sem_init (
OS_ID semaphore, /* os_sem 类型变量 */
U16 token_count ); /* 信号量初始值 */
函数描述：
函数 os_sem_init 用于信号量的初始化并设置初始值
 第 1 个参数填写数据类型为 OS_SEM 的变量，同时也作为 ID 标识
 第 2 个参数是信号量初始值，也就是可用资源个数。
使用举例：

细心的读者可能发现，上面的初始化函数为什么不是这么写：os_sem_init(semaphore, 0)，而是在变量
semaphore 前面加一个取地址符&，实际上这两种写法都是可以的，RTX 的手册里面默认都是前面加上
个取地址符，大家使用的时候也可以都加上，方便区分。
为什么两种写法都可以呢，因为 OS_SEM 是这么定义的：typedef U32 OS_SEM[2]，对应上面的函
数举例就是 U32 semaphore[2]，定义了一个 32 位数组，数组里面有两个元素。 所以 os_sem_init 的第
一个参数填 semaphore 或者&semaphore 都是这个数组的首地址。

还有就是，明明函数的第一个参数是OS_ID类型，为什么我们要定义一个OS_SEM类型的呢？这里是因为OS_ID是void *类型的，我是怎么知道要使用OS_SEM类型来初始化这个函数的呢？手册这样告诉我的：

函数 os_sem_send
函数原型：
OS_RESULT os_sem_send (
OS_ID semaphore ); /* OS_SEM 类型变量 */
函数描述：
函数 os_sem_send 用于释放信号量，调用后信号量计数值加 1。
 第 1 个参数参数填写数据类型为 OS_SEM 的变量，同时也作为 ID 标识。
 返回值永远是 OS_R_OK。
使用这个函数要注意以下问题：
1. 使用此函数前一定要调用函数 os_sem_init 进行初始化。

函数 isr_sem_send
函数原型：
void isr_sem_send (
OS_ID semaphore ); /* OS_SEM 类型变量 */

函数描述：
函数 isr_sem_send 用于释放信号量，调用后信号量计数值加 1。
 第 1 个参数参数填写数据类型为 OS_SEM 的变量，同时也作为 ID 标识。
使用这个函数要注意以下问题：
1. 使用此函数前一定要调用函数 os_sem_init 进行初始化。

函数 os_sem_wait
函数原型：
OS_RESULT os_sem_wait (
OS_ID semaphore, /* OS_SEM 类型变量 */
U16 timeout ); /* 超时时间设置 */
函数描述：

函数 os_sem_wait 用于获取信号量，如果当前的信号量计数值大于 0，那么调用函数 os_sem_wait 后可
以成功获取信号量，并将信号量的计数值减 1。如果信号量计数值等于 0，调用此函数的任务将由运行态
转到挂起态，等待信号量资源可用，也就是等待信号量计数值大于 0。
 第 1 个参数参数填写数据类型为 OS_SEM 的变量，同时也作为 ID 标识。
 第 2 个参数表示设置的等待时间，范围 0-0xFFFF，当参数设置为 0-0xFFFE 时，表示等待这么多个
时钟节拍，参数设置为 0xFFFF 时表示无限等待直到有信号量资源可用。
 函数返回 OS_R_SEM 表示函数设置的超时时间范围内收到信号量可用资源。
函数返回 OS_R_TMO 表示超时。
函数返回 OS_R_OK 表示无需等待，立即获得可用信号量资源。
使用这个函数要注意以下问题：
1. 使用此函数前一定要调用函数 os_sem_init 进行初始化。

使用举例：

代码练习场：

这里的信号量初始化为0，按键一下就发送一次，发送完毕并接收之后，就又变成了0.

串口打印：