華為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) LiteOS內(nèi)核教程04-信號(hào)量

1. LiteOS內(nèi)核的信號(hào)量

1.1.信號(hào)量

在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，不同的任務(wù)之間需要同步運(yùn)行，信號(hào)量功能可以為用戶提供這方面的支持。信號(hào)量（Semaphore）是一種實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間同步或臨界資源的互斥訪問。

1.2. 信號(hào)量的使用方式

信號(hào)量可以被任務(wù)獲取或者申請(qǐng)，不同的信號(hào)量通過信號(hào)量索引號(hào)來唯一確定，每個(gè)信號(hào)量都有一個(gè)計(jì)數(shù)值和任務(wù)隊(duì)列。

通常一個(gè)信號(hào)量的計(jì)數(shù)值用于對(duì)應(yīng)有效的資源數(shù)，表示剩下的可被占用的互斥資源數(shù)，其值的含義分兩種情況：

0：表示沒有積累下來的 Post 操作，且有可能有在此信號(hào)量上阻塞的任務(wù)；

正值：表示有一個(gè)或多個(gè) Post 下來的釋放操作；

當(dāng)任務(wù)申請(qǐng)(Pend)信號(hào)量時(shí)，如果申請(qǐng)成功，則信號(hào)量的計(jì)數(shù)值遞減，如若申請(qǐng)失敗，則掛起在該信號(hào)量的等待任務(wù)隊(duì)列上，一旦有任務(wù)釋放該信號(hào)量，則等待任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)被喚醒開始執(zhí)行。

1.3. 信號(hào)量的使用場(chǎng)景

信號(hào)量是一種非常靈活的同步方式，可以運(yùn)用在多種場(chǎng)合中，實(shí)現(xiàn)鎖、同步、資源計(jì)數(shù)等功能，也能方便的用于任務(wù)與任務(wù)，中斷與任務(wù)的同步中。

互斥鎖

用作互斥時(shí)，信號(hào)量創(chuàng)建后記數(shù)是滿的，在需要使用臨界資源時(shí)，先申請(qǐng)信號(hào)量，使其變空，這樣其他任務(wù)需要使用臨界資源時(shí)就會(huì)因?yàn)闊o法申請(qǐng)到信號(hào)量而阻塞，從而保證了臨界資源的安全。

任務(wù)間同步

用作同步時(shí)，信號(hào)量在創(chuàng)建后被置為空，任務(wù)1申請(qǐng)信號(hào)量而阻塞，任務(wù)2在某種條件發(fā)生后，釋放信號(hào)量，于是任務(wù)1得以進(jìn)入 READY 或 RUNNING 態(tài)，從而達(dá)到了兩個(gè)任務(wù)間的同步。

資源計(jì)數(shù)

用作資源計(jì)數(shù)時(shí)，信號(hào)量的作用是一個(gè)特殊的計(jì)數(shù)器，可以遞增或者遞減，但是值永遠(yuǎn)不能為負(fù)值，典型的應(yīng)用場(chǎng)景是生產(chǎn)者與消費(fèi)者的場(chǎng)景。

中斷與任務(wù)的同步

用作中斷與任務(wù)的同步時(shí)，可以在中斷未觸發(fā)時(shí)將信號(hào)量的值置為0，從而堵塞斷服務(wù)處理任務(wù)，一旦中斷被觸發(fā)，則喚醒堵塞的中斷服務(wù)處理任務(wù)進(jìn)行中斷處理。

2. 信號(hào)量API

Huawei LiteOS 系統(tǒng)中的信號(hào)量模塊為用戶提供創(chuàng)建/刪除信號(hào)量、申請(qǐng)/釋放信號(hào)量的功能。

Huawei LiteOS 系統(tǒng)中提供的信號(hào)量 API 都是以 LOS 開頭，但是這些 API 使用起來比較復(fù)雜，所以本文中我們使用 Huawei IoT Link SDK 提供的統(tǒng)一API接口進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些接口底層已經(jīng)使用 LiteOS 提供的API實(shí)現(xiàn)，對(duì)用戶而言更為簡(jiǎn)潔，API列表如下：

osal的api接口聲明在中，使用相關(guān)的接口需要包含該頭文件，關(guān)于函數(shù)的詳細(xì)參數(shù)請(qǐng)參考該頭文件的聲明。

相關(guān)的接口定義在osal.c中，基于LiteOS的接口實(shí)現(xiàn)在 liteos_imp.c文件中：

2.1. osal_semp_create

osal_semp_create接口用于創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，其接口原型如下：

bool_t??osal_semp_create(osal_semp_t?*semp,int?limit,int?initvalue) {????bool_t?ret?=?false;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->semp_create)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->semp_create(semp,limit,initvalue); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說明如下表：

2.2. osal_semp_del

osal_semp_del接口用于刪除一個(gè)信號(hào)量，其接口原型如下：

bool_t??osal_semp_del(osal_semp_t?semp) {????bool_t?ret?=?false;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->semp_del)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->semp_del(semp); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說明如下表：

2.3. osal_semp_pend

osal_semp_pend接口用于申請(qǐng)一個(gè)信號(hào)量，其接口原型如下：

bool_t??osal_semp_pend(osal_semp_t?semp,int?timeout) {????bool_t?ret?=?false;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->semp_pend)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->semp_pend(semp,timeout); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說明如下表：

信號(hào)量有三種申請(qǐng)模式：非阻塞模式、永久阻塞模式、定時(shí)阻塞模式，用?timeout?參數(shù)的值選擇。

非阻塞模式(0)：

任務(wù)需要申請(qǐng)信號(hào)量，若當(dāng)前信號(hào)量的任務(wù)數(shù)沒有到信號(hào)量設(shè)定的上限，則申請(qǐng)成功。否則，立即返回申請(qǐng)失敗

永久阻塞模式(cn_osal_timeout_forever或0xFFFFFFFF)：

任務(wù)需要申請(qǐng)信號(hào)量，若當(dāng)前信號(hào)量的任務(wù)數(shù)沒有到信號(hào)量設(shè)定的上限，則申請(qǐng)成功。否則，該任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)，系統(tǒng)切換到就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高者繼續(xù)執(zhí)行。任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)后，直到有其他任務(wù)釋放該信號(hào)量，阻塞任務(wù)才會(huì)重新得以執(zhí)行

定時(shí)阻塞模式(任意定時(shí)值，32bit)：

任務(wù)需要申請(qǐng)信號(hào)量，若當(dāng)前信號(hào)量的任務(wù)數(shù)沒有到信號(hào)量設(shè)定的上限，則申請(qǐng)成功。否則，該任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)，系統(tǒng)切換到就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高者繼續(xù)執(zhí)行。任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)后，指定時(shí)間超時(shí)前有其他任務(wù)釋放該信號(hào)量，或者用戶指定時(shí)間超時(shí)后，阻塞任務(wù)才會(huì)重新得以執(zhí)行

由于中斷不能被阻塞，因此在申請(qǐng)信號(hào)量時(shí)，阻塞模式不能在中斷中使用。

2.4. osal_semp_post

osal_semp_post接口用于釋放一個(gè)信號(hào)量，如果有任務(wù)阻塞于該信號(hào)量，則喚醒該信號(hào)量阻塞隊(duì)列上的第一個(gè)任務(wù)，該任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，并進(jìn)行調(diào)度。

其接口原型如下：

bool_t??osal_semp_post(osal_semp_t?semp) {????bool_t?ret?=?false;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->semp_post)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->semp_post(semp); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說明如下表：

3. 動(dòng)手實(shí)驗(yàn) —— 使用信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)間同步

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)中將創(chuàng)建兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)task1，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)task2，兩個(gè)任務(wù)之間使用信號(hào)量同步運(yùn)行，在串口終端中觀察兩個(gè)任務(wù)的運(yùn)行情況。

實(shí)驗(yàn)代碼

首先打開上一篇使用的 HelloWorld 工程，基于此工程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在Demo文件夾右擊，新建文件夾osal_kernel_demo用于存放內(nèi)核的實(shí)驗(yàn)文件（如果已有請(qǐng)忽略這一步）。

接下來在此文件夾中新建一個(gè)實(shí)驗(yàn)文件?osal_semp_demo.c，開始編寫代碼：

/*?使用osal接口需要包含該頭文件?*/#include?/*?任務(wù)優(yōu)先級(jí)宏定義（shell任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為10）?*/#define?USER_TASK1_PRI??12??//低優(yōu)先級(jí)#define?USER_TASK2_PRI??11??//高優(yōu)先級(jí)/*?信號(hào)量索引ID?*/osal_semp_t?sync_semp;/*?任務(wù)task1入口函數(shù)?*/static?int?user_task1_entry(){????while(1) ????{????????/*?在串口打印信息?*/ ????????printf("task?1?post?a?semp! ");????????/*?打印完畢釋放信號(hào)量?*/ ????????osal_semp_post(sync_semp);????????/*?任務(wù)主動(dòng)掛起2s?*/ ????????osal_task_sleep(2*1000); ????} }/*?任務(wù)task2入口函數(shù)?*/static?int?user_task2_entry(){????while?(1) ????{????????/*?優(yōu)先級(jí)高，搶占執(zhí)行打印信息?*/ ????????printf("task2?is?waiting?for?a?semp... ");????????/*?申請(qǐng)信號(hào)量，申請(qǐng)失敗則掛起等待?*/ ????????osal_semp_pend(sync_semp,?cn_osal_timeout_forever);????????/*?一旦申請(qǐng)到信號(hào)量，則恢復(fù)執(zhí)行?*/ ????????printf("task?2?access?a?semp! "); ????} }/*?標(biāo)準(zhǔn)demo啟動(dòng)函數(shù)，函數(shù)名不要修改，否則會(huì)影響下一步實(shí)驗(yàn)?*/int?standard_app_demo_main(){????/*?創(chuàng)建信號(hào)量sync_semp?*/ ????osal_semp_create(&sync_semp,?1,?0);????printf("sync_semp?semp?create?success. ");????/*?創(chuàng)建任務(wù)task1?*/ ????osal_task_create("user_task1",user_task1_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK1_PRI);????/*?創(chuàng)建任務(wù)task2?*/ ????osal_task_create("user_task2",user_task2_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK2_PRI);????return?0; }

編寫完成之后，要將我們編寫的osal_semp_demo文件添加到makefile中，加入整個(gè)工程的編譯：

這里有個(gè)較為簡(jiǎn)單的方法，直接修改Demo文件夾下的user_demo.mk配置文件，添加如下代碼：

#example?for?osal_semp_demo ifeq?($(CONFIG_USER_DEMO),?"osal_semp_demo") user_demo_src??=?${wildcard?$(TOP_DIR)/targets/STM32L431_BearPi/Demos/osal_kernel_demo/osal_semp_demo.c} user_demo_defs?=?-D?CONFIG_OSAL_SEMP_DEMO_ENABLE=1 endif

添加位置如圖：

這段代碼的意思是：

如果 CONFIG_USER_DEMO 宏定義的值是osal_semp_demo，則將osal_semp_demo.c文件加入到makefile中進(jìn)行編譯。

那么，如何配置 CONFIG_USER_DEMO 宏定義呢？在工程根目錄下的.sdkconfig文件中的末尾即可配置：

因?yàn)槲覀冃薷牧薽k配置文件，所以點(diǎn)擊重新編譯按鈕進(jìn)行編譯，編譯完成后點(diǎn)擊下載按鈕燒錄程序。

編譯之后會(huì)有警告，提示user_task1_entry和user_task2_entry函數(shù)沒有返回值，這里使用了while(1)，不會(huì)返回，所以不用管。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

程序燒錄之后，即可看到程序已經(jīng)開始運(yùn)行，在串口終端中可看到實(shí)驗(yàn)的輸出內(nèi)容：

linkmain:V1.2.1?AT?11:30:59?ON?Nov?28?2019?sync_semp?semp?create?success.WELCOME?TO?IOT_LINK?SHELLLiteOS:/>task2?is?waiting?for?a?semp...task?1?post?a?semp!task?2?access?a?semp!task2?is?waiting?for?a?semp...task?1?post?a?semp!task?2?access?a?semp!task2?is?waiting?for?a?semp...task?1?post?a?semp!task?2?access?a?semp!……