描述

Arduino IDE 和環(huán)境有許多觸手可及的驅(qū)動(dòng)程序和庫(kù)，但 Arduino 環(huán)境僅限于setup()和loop()并且不支持有效的多任務(wù)處理。

本文介紹了互斥信號(hào)量在易于使用且功能強(qiáng)大的 FreeRTOS 實(shí)現(xiàn)中的使用，該實(shí)現(xiàn)作為庫(kù)包含在 Arduino IDE 中，并允許使用兩種環(huán)境的最佳部分。

背景

大多數(shù)操作系統(tǒng)似乎都允許多個(gè)程序或線程同時(shí)執(zhí)行。這稱為多任務(wù)處理。實(shí)際上，每個(gè)處理器內(nèi)核在任何給定時(shí)間點(diǎn)只能運(yùn)行一個(gè)程序。操作系統(tǒng)的一部分稱為調(diào)度程序，負(fù)責(zé)決定何時(shí)運(yùn)行哪個(gè)程序，并通過(guò)在每個(gè)程序之間快速切換來(lái)提供同時(shí)執(zhí)行的錯(cuò)覺(jué)。

傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度程序，例如FreeRTOS中使用的調(diào)度程序，通過(guò)允許用戶為每個(gè)執(zhí)行線程分配優(yōu)先級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)確定性。調(diào)度程序然后使用優(yōu)先級(jí)來(lái)知道接下來(lái)要運(yùn)行哪個(gè)執(zhí)行線程。在 FreeRTOS 中，執(zhí)行線程稱為Task 。

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)共享一個(gè)硬件資源時(shí)，例如串行端口，可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，即調(diào)度程序?qū)⒃谝粋€(gè)任務(wù)完成其串行輸出之前將其換出，而另一個(gè)任務(wù)將開(kāi)始并可能提供一些串行輸出，有效地在第一個(gè)任務(wù)的輸出上涂鴉。

這種情況可以通過(guò)使用信號(hào)量（也稱為標(biāo)志）來(lái)保護(hù)硬件資源，并防止它被使用，直到它被使用它的任務(wù)釋放，才能避免這種情況。

互斥信號(hào)量是包含優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制的二進(jìn)制信號(hào)量。鑒于二進(jìn)制信號(hào)量是實(shí)現(xiàn)同步（任務(wù)之間或任務(wù)與中斷之間）的更好選擇，互斥信號(hào)量?是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單互斥（因此 'MUT'ual 'EX'clusion）的更好選擇。

在此示例中，我們將使用?互斥信號(hào)量?來(lái)保護(hù)我們的串行端口。

當(dāng)用于互斥時(shí)，互斥量就像一個(gè)用于保護(hù)資源的令牌。當(dāng)任務(wù)希望訪問(wèn)資源時(shí)，它必須首先獲取或“獲取”令牌。當(dāng)它完成對(duì)資源的使用后，它必須“返還”令牌，讓其他任務(wù)有機(jī)會(huì)訪問(wèn)同一資源。

讓我們開(kāi)始吧

在之前的 ProTip 中，我們描述了如何為 Arduino IDE 安裝 FreeRTOS 庫(kù)，并測(cè)試它是否正常工作。如果您尚未執(zhí)行此步驟，請(qǐng)立即執(zhí)行。

現(xiàn)在要么將該AnalogRead_DigitalRead.ino文件加載到您的 Arduino IDE 中，要么將其復(fù)制并粘貼到一個(gè)新文件中，您應(yīng)該正確命名并保存該文件。

在草圖中，有幾個(gè)步驟可以創(chuàng)建和使用互斥信號(hào)量來(lái)保護(hù)串行端口。

首先，需要將互斥量信號(hào)量的句柄聲明為全局變量。我們將此作為全局執(zhí)行，以便所有任務(wù)都可以引用信號(hào)量，并檢查其可用性是否為“已獲取”。

在setup()函數(shù)中，我們通過(guò)檢查 Handle 是否為 來(lái)檢查 Semaphore 是否尚未創(chuàng)建NULL。然后我們繼續(xù)創(chuàng)建信號(hào)量，通過(guò)再次檢查句柄內(nèi)容確認(rèn)它已正確創(chuàng)建，然后在調(diào)度程序運(yùn)行后最后“讓”它自由使用。

現(xiàn)在，每當(dāng)一個(gè)任務(wù)想要使用串口Serial.println()?功能時(shí)，它應(yīng)該確保它事先“獲取”了串口信號(hào)量。一旦任務(wù)完成串行端口，則它必須“提供”信號(hào)量以允許其他任務(wù)訪問(wèn)該端口。

下一步

現(xiàn)在您已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)草圖，其中包含多個(gè)任務(wù)寫(xiě)入受保護(hù)的串行端口，請(qǐng)嘗試在沒(méi)有信號(hào)量的情況下發(fā)生什么情況，方法是在每個(gè)任務(wù)中注釋掉“獲取”和“提供”信號(hào)量的代碼。

嘗試在兩個(gè)、三個(gè)或更多任務(wù)中打印長(zhǎng)行文本，看看使用和不使用保護(hù)性信號(hào)量會(huì)發(fā)生什么。

閱讀 FreeRTOS 關(guān)于隊(duì)列、互斥鎖和信號(hào)量的詳細(xì)描述。有許多其他可用的信號(hào)量類型，理解每種類型應(yīng)該在什么地方使用以達(dá)到最佳效果很重要。