【BES2500x系列 -- RTX5操作系统】深入探索CMSIS-RTOS RTX -- 同步与通信篇 -- 信号量和互斥锁 --（三）

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💌 所属专栏：【BES2500x系列】

😀 作者：我是夜阑的狗🐶

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文章目录

前言
1 介绍
2 功能特性
3 同步与通信
- - 3.1 同步（Synchronization）
  - 3.2 设计原则
  - 3.3 实例应用
4 信号量
- - 4.1 定义信号量
  - - 4.1.1 代码
    - 4.1.2 参数/函数讲解
  - 4.2 创建信号量
  - - 4.2.1 代码
    - 4.2.2 参数/函数讲解
  - 4.3 获取信号量
  - - 4.3.1 代码
    - 4.3.2 参数/函数讲解
  - 4.4 释放信号量
  - - 4.4.1 代码
    - 4.4.2 参数/函数讲解
5 互斥锁
- - 5.1 定义
  - - 5.1.1 代码
    - 5.1.2 参数/函数讲解
  - 5.2 创建
  - - 5.2.1 代码
    - 5.2.2 参数/函数讲解
  - 5.3 加锁
  - - 5.3.1 代码
    - 5.3.2 参数/函数讲解
  - 5.4 解锁
  - - 5.4.1 代码
    - 5.4.2 参数/函数讲解
总结

前言

大家好，又见面了，我是夜阑的狗🐶，本文是专栏【BES2500x系列】专栏的第21篇文章;
今天开始学习BES2500x系列的一天💖💖💖，开启新的征程，记录最美好的时刻🎉，每天进步一点点。
专栏地址：【BES2500x系列】，此专栏是我是夜阑的狗对BES2500x系列开发过程的总结，希望能够加深自己的印象，以及帮助到其他的小伙伴😉😉。
如果文章有什么需要改进的地方还请大佬不吝赐教👏👏。

<<【系列文章索引】>>

1 介绍

前面已经学习了 RTX 系统中线程管理的创建和使用，当然在操作系统中除了线程管理外，线程之间的同步与通信也是至关重要的，话不多说，那接下来就同步与通信都有那些内容吧，让我们原文再续，书接上回吧。

在这里插入图片描述

2 功能特性

在实时操作系统（RTOS）中，任务管理和同步通信是关键组件，它们确保系统的高效和有序执行。本文将探讨这些概念，特别是线程管理、信号量、互斥锁、消息队列和邮箱处理。

任务管理：RTX提供任务创建、调度和优先级管理，确保任务按照优先级及时执行。
同步与通信：包括信号量、互斥锁、消息队列和邮箱，促进任务间的同步和数据交换。
内存管理：内存池和动态内存分配，有效管理有限的系统资源。
定时器服务：虚拟和硬件定时器，支持周期性任务和一次性事件触发。
中断处理：保证中断服务的快速响应，同时保持任务的上下文安全。
线程安全：通过内核级保护机制，防止多线程环境下的数据竞争和死锁。

3 同步与通信

在实时操作系统（RTOS）中，同步与通信是确保任务间协调执行和数据交换的关键机制。以下是关于实时操作系统中同步与通信的几个核心概念和方法：

3.1 同步（Synchronization）

目的：确保多个任务或中断处理程序在访问共享资源时的有序性和一致性，防止数据竞争和不一致。
方法：
- 互斥锁（Mutex）：用于保护临界区，确保同一时间只有一个任务可以访问共享资源。
- 信号量（Semaphore）：不仅可以实现互斥访问，还可以用于计数资源的可用性，支持多任务等待同一资源。
- 事件标志（Event Flags）：用于任务间的简单状态通信，一个任务可以设置某些事件标志，另一个任务可以等待这些标志被设置。
- 消息队列（Message Queue）：允许任务间传递数据结构或消息，同时也可以用作同步机制，发送者和接收者通过队列进行异步通信。

3.2 设计原则

最小化阻塞：选择适当的同步和通信机制，减少任务等待时间，提高系统响应速度。
确定性：确保所有同步和通信操作的时间复杂度是可预测的，以满足实时性要求。
资源效率：考虑内存和CPU开销，选择最适合应用需求的机制。
错误处理：实现健壮的错误处理逻辑，比如超时处理、死锁预防等。

3.3 实例应用

在多传感器数据融合的场景中，可以使用消息队列来收集来自不同传感器的任务数据，并在主控制任务中进行融合处理。
在电机控制应用中，通过互斥锁保护对电机控制寄存器的访问，避免并发写入导致的控制混乱。
综上所述，实时操作系统中的同步与通信机制是实现可靠、高效、实时性应用的基础，正确地设计和应用这些机制对于保证系统性能和稳定性至关重要。

4 信号量

我们接下来将详细介绍信号量和互斥锁。信号量是一种同步机制，用于控制对共享资源的访问。它可以是计数信号量或二进制信号量，用于管理多个线程的并发访问。

4.1 定义信号量

信号量是一个计数器，用于控制对公共资源的访问。计数信号量可以有多个资源，二进制信号量只有两个状态：空闲（1）和占用（0）。
一般在文件开头会看到这样的定义：osSemaphoreDef。

4.1.1 代码

// 定义一个名为app_rtx_test_semaphore的互斥量
osSemaphoreDef(app_rtx_test_semaphore);// 定义一个变量app_rtx_test_semaphore_id，用于存储互斥量的ID
// 在实际操作中，这个ID将用于在运行时访问和操作互斥量
osSemaphoreId app_rtx_test_semaphore_id = NULL;

/*** 定义一个OS semaphore的结构体实例。* 这是一个宏，用于静态定义一个互斥量（ semaphore），以便在操作系统中使用。* * @param name 互斥量的名称，用于标识和访问该互斥量。*/
#define osSemaphoreDef(name) \
static StaticSemaphore_t os_semaphore_cb_##name; /* 在静态内存中定义一个静态互斥量变量 */ \
const osSemaphoreDef_t os_semaphore_def_##name = \
{ NULL, 0U, (&os_semaphore_cb_##name), sizeof(StaticSemaphore_t) } /* 定义互斥量结构体，包含互斥量的控制块地址和其他必要信息 */

4.1.2 参数/函数讲解

序号	函数	说明
1	osSemaphoreId	定义变量来存储信号量的 ID
2	osSemaphoreDef	定义信号量结构体

4.2 创建信号量

创建信号量通常通过调用 osSemaphoreCreate() 函数实现，传入定义好的信号量结构体和初始值。

4.2.1 代码

/*** 初始化名为app_rtx_test_semaphore的信号量。* 如果互斥量尚未创建，此函数将创建它并将其ID存储在全局变量app_rtx_test_semaphore_id中。** @return 总是返回0，表示初始化成功。*/
int app_rtx_test_sem_init(void) 
{// 检查互斥量ID是否为空if (app_rtx_test_semaphore_id == NULL) {// 创建互斥量，传入之前定义的信号量结构体和初始信号量值（这里是1）app_rtx_test_semaphore_id = osSemaphoreCreate(osSemaphore(app_rtx_test_semaphore), 1);}// 初始化成功，返回0return 0;
}

4.2.2 参数/函数讲解

序号	函数	说明
1	osSemaphoreCreate	创建信号量
2	osSemaphore	获取前面定义的信号量结构体

4.3 获取信号量

线程通过 osSemaphoreWait() 函数请求信号量，如果资源可用，函数会立即返回；否则，线程会被挂起，直到资源可用。

4.3.1 代码

/*** 请求获取app_rtx_test_semaphore互斥量的锁。* 此函数会阻塞直到获得锁，或者在等待过程中被信号中断。** @return 总是返回0，表示锁获取成功。*/
int app_rtx_test_sem_lock(void) 
{// 等待获取互斥量锁，如果资源不可用，将一直等待osSemaphoreWait(app_rtx_test_semaphore_id, osWaitForever);// 锁获取成功，返回0return 0;
}

4.3.2 参数/函数讲解

序号	函数	说明
1	osSemaphoreWait	等待获取信号量

4.4 释放信号量

当线程完成对资源的操作后，通过 osSemaphoreRelease() 函数释放信号量，让其他等待的线程有机会获取。

4.4.1 代码

/*** 释放app_rtx_test_semaphore互斥量的锁。* 此函数允许其他任务获取该互斥量。** @return 总是返回0，表示锁释放成功。*/
int app_rtx_test_sem_unlock(void) 
{// 释放信号量锁，允许其他任务使用osSemaphoreRelease(app_rtx_test_semaphore_id);// 锁释放成功，返回0return 0;
}

4.4.2 参数/函数讲解

序号	函数	说明
1	osSemaphoreRelease	释放信号量，允许其他任务使用

5 互斥锁

互斥锁是另一种同步机制，确保同一时间只有一个线程访问特定资源。

5.1 定义

一般在文件开头会看到这样的定义：osMutexDef。

5.1.1 代码

// 声明一个互斥锁实例，使用osMutexDef宏并传入名称app_rtx_test_mutex
osMutexDef(app_rtx_test_mutex);// 定义一个osMutexId类型的变量，用于存储互斥锁的ID
// 在初始化后，该变量将持有app_rtx_test_mutex的标识符，以便在需要时进行锁定和解锁操作
osMutexId app_rtx_test_mutex_id = NULL;

/*** 定义一个互斥锁的宏。* * 该宏用于静态定义一个互斥锁（Mutex），支持递归和优先级继承特性。它通过提供一个名称来创建* 该互斥锁的相关静态数据结构。* * @param name 互斥锁的名称。该名称将用于为互斥锁的控制块和定义结构体命名。*/
#define osMutexDef(name) \
static StaticSemaphore_t os_mutex_cb_##name; /* 控制块静态存储区 */ \
const osMutexDef_t os_mutex_def_##name = \
{ NULL, osMutexRecursive | osMutexPrioInherit, (&os_mutex_cb_##name), sizeof(StaticSemaphore_t) } /* Mutex定义结构体 */

5.1.2 参数/函数讲解

序号	函数	说明
1	osMutexId	定义用于存储互斥锁的ID
2	osMutexDef	定义互斥锁结构体

5.2 创建

创建互斥锁通常使用 osMutexCreate() 函数，传入互斥锁的定义。

5.2.1 代码

/*** 初始化指定的互斥锁。** 此函数负责初始化之前通过osMutexDef定义的app_rtx_test_mutex互斥锁。* 如果该互斥锁尚未被创建（即其ID为NULL），则会调用osMutexCreate进行创建。** @return 返回0表示初始化成功。由于此实现未处理失败情况，故假设初始化总是成功的。*/
int app_rtx_test_mutex_init(void) 
{// 检查互斥锁是否已初始化if (app_rtx_test_mutex_id == NULL) { // 使用osMutexDef定义的结构体创建互斥锁，并将其ID保存到app_rtx_test_mutex_id中app_rtx_test_mutex_id = osMutexCreate((osMutex(app_rtx_test_mutex))); } // 初始化成功，返回0return 0; 
}

5.2.2 参数/函数讲解

序号	函数	说明
1	osMutexCreate	创建互斥锁
2	osMutex	获取前面定义的互斥锁结构体

5.3 加锁

线程使用 osMutexLock() 函数请求互斥锁，如果锁未被占用，线程会立即加锁；否则，线程会被挂起等待。

5.3.1 代码

/*** @brief          尝试获取互斥锁* * @description    该函数用于请求一个名为`app_rtx_test_mutex_id`的互斥锁。*                 使用`osWaitForever`参数表示函数将一直等待直到获得锁。*                 * @param[in]      无* * @return         返回值0表示成功获取了互斥锁。* * @note           若在多线程环境下其他线程已持有该锁，则调用此函数的线程会被挂起，*                 直到锁被释放。这可能导致当前线程阻塞，因此使用`osWaitForever`需谨慎。*/
int app_rtx_test_mutex_lock(void)
{// 调用osMutexWait来请求互斥锁，如果无法立即获取则无限等待osMutexWait(app_rtx_test_mutex_id, osWaitForever); // 成功获取锁后返回0return 0; 
}

5.3.2 参数/函数讲解

序号	函数	说明
1	osMutexWait	等待获取互斥锁

这个函数 app_rtx_test_mutex_lock 用于获取一个已知的互斥锁 app_rtx_test_mutex 。它调用了实时操作系统（RTOS）的API osMutexWait ，传入互斥锁的句柄和一个标志 osWaitForever，表示如果锁不可用，当前任务将被挂起，直到能够获取锁为止。如果成功获取了锁，函数返回0。

5.4 解锁

线程完成操作后，使用 osMutexUnlock() 函数释放互斥锁，允许其他线程获取。

5.4.1 代码

/*** 释放app_rtx_test_mutex互斥锁。** 当前任务持有互斥锁时，此函数将释放它，允许其他等待该锁的任务继续执行。** @return 返回0表示成功释放锁。由于此实现未处理失败情况，故假设锁总是能被成功释放。*/
int app_rtx_test_mutex_unlock(void) 
{// 调用RTX API释放互斥锁osMutexRelease(app_rtx_test_mutex_id); // 释放锁成功，返回0return 0; 
}

5.4.2 参数/函数讲解

序号	函数	说明
1	osMutexRelease	释放互斥锁，允许其他任务使用

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总结

感谢观看，这里就是 boot loader 引导程序的讲解，如果觉得有帮助，请给文章点个赞吧，让更多的人看到。🌹 🌹 🌹

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