華為物聯網操作系統 LiteOS內核教程04-信號量

1. LiteOS內核的信號量

1.1.信號量

在多任務操作系統中，不同的任務之間需要同步運行，信號量功能可以為用戶提供這方面的支持。信號量（Semaphore）是一種實現任務間通信的機制，實現任務之間同步或臨界資源的互斥訪問。

1.2. 信號量的使用方式

信號量可以被任務獲取或者申請，不同的信號量通過信號量索引號來唯一確定，每個信號量都有一個計數值和任務隊列。

通常一個信號量的計數值用于對應有效的資源數，表示剩下的可被占用的互斥資源數，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量上阻塞的任務；

正值：表示有一個或多個 Post 下來的釋放操作；

當任務申請(Pend)信號量時，如果申請成功，則信號量的計數值遞減，如若申請失敗，則掛起在該信號量的等待任務隊列上，一旦有任務釋放該信號量，則等待任務隊列中的任務被喚醒開始執行。

1.3. 信號量的使用場景

信號量是一種非常靈活的同步方式，可以運用在多種場合中，實現鎖、同步、資源計數等功能，也能方便的用于任務與任務，中斷與任務的同步中。

互斥鎖

用作互斥時，信號量創建后記數是滿的，在需要使用臨界資源時，先申請信號量，使其變空，這樣其他任務需要使用臨界資源時就會因為無法申請到信號量而阻塞，從而保證了臨界資源的安全。

任務間同步

用作同步時，信號量在創建后被置為空，任務1申請信號量而阻塞，任務2在某種條件發生后，釋放信號量，于是任務1得以進入 READY 或 RUNNING 態，從而達到了兩個任務間的同步。

資源計數

用作資源計數時，信號量的作用是一個特殊的計數器，可以遞增或者遞減，但是值永遠不能為負值，典型的應用場景是生產者與消費者的場景。

中斷與任務的同步

用作中斷與任務的同步時，可以在中斷未觸發時將信號量的值置為0，從而堵塞斷服務處理任務，一旦中斷被觸發，則喚醒堵塞的中斷服務處理任務進行中斷處理。

2. 信號量API

Huawei LiteOS 系統中的信號量模塊為用戶提供創建/刪除信號量、申請/釋放信號量的功能。

Huawei LiteOS 系統中提供的信號量 API 都是以 LOS 開頭，但是這些 API 使用起來比較復雜，所以本文中我們使用 Huawei IoT Link SDK 提供的統一API接口進行實驗，這些接口底層已經使用 LiteOS 提供的API實現，對用戶而言更為簡潔，API列表如下：

osal的api接口聲明在中，使用相關的接口需要包含該頭文件，關于函數的詳細參數請參考該頭文件的聲明。

相關的接口定義在osal.c中，基于LiteOS的接口實現在 liteos_imp.c文件中：

2.1. osal_semp_create

osal_semp_create接口用于創建一個信號量，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; }

該接口的參數說明如下表：

2.2. osal_semp_del

osal_semp_del接口用于刪除一個信號量，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; }

該接口的參數說明如下表：

2.3. osal_semp_pend

osal_semp_pend接口用于申請一個信號量，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; }

該接口的參數說明如下表：

信號量有三種申請模式：非阻塞模式、永久阻塞模式、定時阻塞模式，用?timeout?參數的值選擇。

非阻塞模式(0)：

任務需要申請信號量，若當前信號量的任務數沒有到信號量設定的上限，則申請成功。否則，立即返回申請失敗

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

任務需要申請信號量，若當前信號量的任務數沒有到信號量設定的上限，則申請成功。否則，該任務進入阻塞態，系統切換到就緒任務中優先級最高者繼續執行。任務進入阻塞態后，直到有其他任務釋放該信號量，阻塞任務才會重新得以執行

定時阻塞模式(任意定時值，32bit)：

任務需要申請信號量，若當前信號量的任務數沒有到信號量設定的上限，則申請成功。否則，該任務進入阻塞態，系統切換到就緒任務中優先級最高者繼續執行。任務進入阻塞態后，指定時間超時前有其他任務釋放該信號量，或者用戶指定時間超時后，阻塞任務才會重新得以執行

由于中斷不能被阻塞，因此在申請信號量時，阻塞模式不能在中斷中使用。

2.4. osal_semp_post

osal_semp_post接口用于釋放一個信號量，如果有任務阻塞于該信號量，則喚醒該信號量阻塞隊列上的第一個任務，該任務進入就緒態，并進行調度。

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; }

該接口的參數說明如下表：

3. 動手實驗 —— 使用信號量進行任務間同步

實驗內容

本實驗中將創建兩個任務，一個低優先級任務task1，一個高優先級任務task2，兩個任務之間使用信號量同步運行，在串口終端中觀察兩個任務的運行情況。

實驗代碼

首先打開上一篇使用的 HelloWorld 工程，基于此工程進行實驗。

在Demo文件夾右擊，新建文件夾osal_kernel_demo用于存放內核的實驗文件（如果已有請忽略這一步）。

接下來在此文件夾中新建一個實驗文件?osal_semp_demo.c，開始編寫代碼：

/*?使用osal接口需要包含該頭文件?*/#include?/*?任務優先級宏定義（shell任務的優先級為10）?*/#define?USER_TASK1_PRI??12??//低優先級#define?USER_TASK2_PRI??11??//高優先級/*?信號量索引ID?*/osal_semp_t?sync_semp;/*?任務task1入口函數?*/static?int?user_task1_entry(){????while(1) ????{????????/*?在串口打印信息?*/ ????????printf("task?1?post?a?semp! ");????????/*?打印完畢釋放信號量?*/ ????????osal_semp_post(sync_semp);????????/*?任務主動掛起2s?*/ ????????osal_task_sleep(2*1000); ????} }/*?任務task2入口函數?*/static?int?user_task2_entry(){????while?(1) ????{????????/*?優先級高，搶占執行打印信息?*/ ????????printf("task2?is?waiting?for?a?semp... ");????????/*?申請信號量，申請失敗則掛起等待?*/ ????????osal_semp_pend(sync_semp,?cn_osal_timeout_forever);????????/*?一旦申請到信號量，則恢復執行?*/ ????????printf("task?2?access?a?semp! "); ????} }/*?標準demo啟動函數，函數名不要修改，否則會影響下一步實驗?*/int?standard_app_demo_main(){????/*?創建信號量sync_semp?*/ ????osal_semp_create(&sync_semp,?1,?0);????printf("sync_semp?semp?create?success. ");????/*?創建任務task1?*/ ????osal_task_create("user_task1",user_task1_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK1_PRI);????/*?創建任務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，加入整個工程的編譯：

這里有個較為簡單的方法，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：

因為我們修改了mk配置文件，所以點擊重新編譯按鈕進行編譯，編譯完成后點擊下載按鈕燒錄程序。

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

實驗現象

程序燒錄之后，即可看到程序已經開始運行，在串口終端中可看到實驗的輸出內容：

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!……