µCOS-III从入门到精通第十二章（任务信号量及队列）

最新推荐文章于 2025-07-22 17:47:01 发布

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#操作系统 #stm32 #UCOS #单片机

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一、任务信号量

1、任务信号量简介

（1）任务内嵌信号量本质上就是一个信号量，任务信号量是分配于每一个任务的任务控制块结构体中的，因此每一个任务都有独自的任务内嵌信号量。

（2）任务内嵌信号量只能被该任务获取，这也意味着任务内嵌信号量无法广播给多个任务，但是可以由其它任务或者中断释放。

2、任务信号量相关API函数介绍

（1）任务信号量相关API函数概览：

函数	描述
OSTaskSemPend	获取任务信号量
OSTaskSemPendAbort	终止任务挂起等待任务信号量
OSTaskSemPost	释放指定任务的任务信号量
OSTaskSemSet	强制设置指定的任务信号量为指定值

①释放任务信号量API函数可以用于任务和中断服务函数中。

②接收任务信号量API函数只能用在任务中。

（2）OSTaskSemPend函数：

OS_SEM_CTR OSTaskSemPend   //返回任务内嵌信号量更新后的资源数
(
    OS_TICK 	timeout,
	OS_OPT 	opt,
	CPU_TS* 	p_ts,
	OS_ERR* 	p_err
)

形参	描述
timeout	任务挂起等待任务内嵌信号量的最大允许时间
opt	OS_OPT_PEND_BLOCKING：如果信号量没有资源的话就阻塞任务 OS_OPT_PEND_NON_BLOCKING：如果信号量没有资源任务就直接返回
p_ts	指向接收任务内嵌信号量接收时的时间戳的变量的指针
p_err	指向接收错误代码变量的指针

（3）OSTaskSemPost函数：

OS_SEM_CTR OSTaskSemPost   //返回任务内嵌信号量更新后的资源数
(
    OS_TCB* 	p_tcb,
	OS_OPT 	opt,
	OS_ERR* 	p_err
)

形参	描述
p_tcb	指向任务控制块的指针
opt	OS_OPT_POST_NONE：不指定特定的选项 OS_OPT_POST_NO_SCHED ：禁止在本函数内执行任务调度
p_err	指向接收错误代码变量的指针

（4）OSTaskSemSet函数：

OS_SEM_CTR OSTaskSemSet   //返回任务内嵌信号量设置前的资源数
(
    OS_TCB* 		p_tcb,
	OS_SEM_CTR 	cnt,
	OS_ERR* 		p_err
)

形参	描述
p_tcb	指向任务控制块的指针
cnt	指定的信号量资源数
p_err	指向接收错误代码变量的指针

二、任务信号量实验

1、原理图与实验目标

（1）原理图：

（2）实验目标：

①设计4个任务——start_task、task1、task2、task3：

[1]start_task：用于创建task1、task2和task3任务。

[2]task1：当获取到LED1的硬件资源后，控制LED1约每500ms完成亮暗翻转的状态切换，每完成一次即将资源释放。

[3]task2：当获取到LED2的硬件资源后，控制LED2约每1000ms完成亮暗翻转的状态切换，每完成一次即将资源释放。

[4]task3：按下按键1，获取（或者说霸占）LED1和LED2的硬件资源；按下按键2，释放LED1和LED2的硬件资源。

②预期实验现象：

[1]程序下载到板子上后，两个LED灯闪烁。

[2]按下按键1，LED1和LED2停止闪烁（允许有1秒左右的延迟，这是因为task3一直在释放硬件资源，当task3停止释放时，task1和task2会收到最后一次任务通知，但它们此时可能处在自我阻塞引起的阻塞态，当从阻塞态中解脱时，它们会消耗这最后一次任务通知进行一次LED状态翻转操作）。

[3]按下按键2，LED1和LED2恢复闪烁。

2、实验步骤

（1）将“二值信号量实验”的工程文件夹复制一份，在拷贝版中进行实验。

（2）将UCOS_experiment.c文件中关于信号量的代码全部移除，并更改task1、task2和task3函数的实现。

①task1函数的思路：需要使用LED的硬件资源时调用OSTaskSemPend函数等待任务通知，并且必须等待到通知（同时将通知值清零）才可进行下一步操作——翻转LED1的状态。

②task2函数的思路：需要使用LED的硬件资源时调用OSTaskSemPend函数等待任务通知，并且必须等待到通知（同时将通知值清零）才可进行下一步操作——翻转LED2的状态。

③task3函数的思路：

[1]task1和task2需要task3的通知才能使用LED硬件资源，与二值信号量实验不同，二值信号量实验有单独的两个“队列”分别管理两个LED硬件资源，而本实验则是把task3当作了二值信号量队列管理员，两个二值信号量分别由task1和task2的TCB的任务通知相关成员代替。

[2]task1和task2不断获取和释放（获取实际上指的是接收通知，而释放在程序中并没有体现，可认为发生在下一次调用接收通知函数的前一时刻）硬件资源，那么task3也要不断处理task1和task2的申请，要不断地管理资源的分配，而不是等待按键事件到来的一刻才做一次资源分配操作，于是原本的算法需要做变更。

[3]在未按下任何按键时，task3可以一直做释放LED硬件资源给task1和task2的操作，即使手上没有LED资源也不会陷入阻塞，而是直接执行下一条语句（当然，在实际项目中通常不建议这么做，此处仅仅是为了功能演示），task1和task2哪个先结束阻塞，哪个就先调用OSTaskSemPend函数等待任务通知，或者已经调用OSTaskSemPend函数但之前未等待到通知而进入无限阻塞，但task3一旦分配资源以后就能立刻被唤醒。

[4]在按下按键1之后，task3不做资源分配操作，task1和task2只能无限等待任务通知，无法执行后续的任何操作。

[5]在按下按键2之后（以下执行流程图的情形为按下按键1后再按下按键2），task3可以继续一直做释放LED硬件资源给task1和task2的操作。

void task1(void){
	OS_ERR err;
	while(1){
		OSTaskSemPend(0, OS_OPT_PEND_BLOCKING, NULL, &err);
		LED1_Turn();      //LED1状态翻转
		OSTimeDly(500, OS_OPT_TIME_DLY, &err);
	}
}
void task2(void){
	OS_ERR err;
	while(1){
		OSTaskSemPend(0, OS_OPT_PEND_BLOCKING, NULL, &err); 
		LED2_Turn();      //LED2状态翻转
		OSTimeDly(1000, OS_OPT_TIME_DLY, &err);
	}
}
void task3(void){
	OS_ERR err;
	uint8_t Key_memory = 0, key = 0;
	
	//OSTaskSemPost释放的是计数型信号量，没有上限，需注意资源释放频率
	uint16_t task1_blocktime = 0, task2_blocktime = 0;
	
	while(1){
		key = Key_GetNum();    //读取按键键值
		if(key != 0) Key_memory = key;
		if(Key_memory == 1) ;
		if(Key_memory == 2 || Key_memory == 0)
		{
			task1_blocktime++;	task2_blocktime++;
			if(task1_blocktime >= 50)
			{
				OSTaskSemPost(&task1_tcb, OS_OPT_POST_NONE, &err);
				task1_blocktime = 0;
			}
			if(task2_blocktime >= 100)
			{
				OSTaskSemPost(&task2_tcb, OS_OPT_POST_NONE, &err);
				task2_blocktime = 0;
			}
		}		
		OSTimeDly(10, OS_OPT_TIME_DLY, &err);      //自我阻塞10ms
	}
}

（3）程序完善好后点击“编译”，然后将程序下载到开发板上，根据程序注释进行调试。

三、任务队列

1、任务队列简介

（1）任务内嵌消息队列本质上就是一个消息队列，任务队列是分配于每一个任务的任务控制块结构体中的，因此每一个任务都有独自的任务内嵌消息队列。

（2）任务内嵌队列只能被该任务获取消息，这也意味着任务内嵌队列中的消息无法广播给多个任务，但是其中的消息可以由其它任务或者中断写入。

2、任务队列相关API函数介绍

（1）任务队列相关API函数概览：

函数	描述
OSTaskQFlush	清空任务内嵌消息队列中的所有消息
OSTaskQPend	获取任务内嵌消息队列中的消息
OSTaskQPendAbort	终止任务挂起等待任务内嵌消息队列
OSTaskQPost	发送消息到任务内嵌消息队列

①发送任务消息队列API函数可以用于任务和中断服务函数中。

②接收任务消息队列API函数只能用在任务中。

（2）OSTaskQPend函数：

void *OSTaskQPend   //指向获取到的消息的万能指针
(
	OS_TICK 		timeout,
	OS_OPT 		opt,
	OS_MSG_SIZE* 	p_msg_size,
	CPU_TS* 		p_ts,
	OS_ERR*		p_err
)

形参	描述
timeout	任务挂起等待任务内嵌消息队列的最大允许时间
opt	OS_OPT_PEND_BLOCKING：如果任务队列中没有消息的话就阻塞任务 OS_OPT_PEND_NON_BLOCKING：如果任务队列中没有消息的话就直接返回
p_msg_size	指向用于接收消息大小变量的指针
p_ts	指向接收消息队列接收时的时间戳的变量的指针
p_err	指向接收错误代码变量的指针

（3）OSTaskQPost函数：

void OSTaskQPost
(
 	OS_TCB* 		p_tcb,
	void* 			p_void,
	OS_MSG_SIZE 	msg_size,
	OS_OPT 		opt,
	OS_ERR* 		p_err
)

形参	描述
p_tcb	指向任务控制块的指针
p_void	指向消息的指针
msg_size	消息的大小，单位：字节
opt	OS_OPT_POST_FIFO ：将发送的消息保存在任务队列的末尾 OS_OPT_POST_LIFO ：将发送的消息保存在任务队列的开头 OS_OPT_POST_NO_SCHED ：禁止在本函数内执行任务调度（以上的几种类型可以与该宏进行组合使用）
p_err	指向接收错误代码变量的指针

四、任务队列实验

1、原理图与实验目标

（1）原理图（按键未画出，接法与任务信号量实验相同）：

（2）实验目标：

①设计3个任务——start_task、task1、task2：

[1]start_task：用于创建task1和task2任务。

[2]task1：用于按键扫描，并将键值发送到task2任务消息队列。

[3]task2：用于接收任务消息队列，并打印相关提示信息。

2、实验步骤

（1）将“任务创建与删除实验”的工程文件夹复制一份，在拷贝版中进行实验。

（2）在stm32教程中找到“串口发送（单片机通过串口向电脑发送数据）”实验，复制其中的Serial.c文件和Serial.h文件，将其添加到本实验的项目中，如下图所示，并在主函数中将串口初始化。

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	LED_Init();   //LED初始化
	Key_Init();   	 //按键初始化
	Serial_Init(); 	//串口初始化
	
	UCOS_Test();
	
	while (1)
	{
		
	}
}

（3）修改UCOS_experiment.c文件，删除task3任务的相关内容，并修改task1和task2的实现。

void task1(void)
{
	OS_ERR err;
	uint8_t key = 0;
	while(1)
	{
		key = Key_GetNum();
        if(key == 1 || key == 2)    //如果按下按键1或按键2
        {
            Serial_Printf("发送键值！\r\n");
            OSTaskQPost(&task2_tcb, &key, sizeof(key), OS_OPT_POST_FIFO, &err);
        }
        OSTimeDly(10,OS_OPT_TIME_DLY,&err);
	}
}

void task2(void)
{
	OS_ERR err;
	uint8_t * key;
    OS_MSG_SIZE size = 0;
    while(1)
    {
        key = OSTaskQPend(0, OS_OPT_PEND_BLOCKING, &size, NULL, &err);       
        Serial_Printf("接收到的键值为：%d\r\n", *key);
        Serial_Printf("接收到数据长度为：%d字节\r\n", size);
    }
}

（4）程序完善好后点击“编译”，然后将程序下载到开发板上，根据程序注释进行调试。