【STM32F429】第20章 ThreadX互斥信号量

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第20章       ThreadX互斥信号量

本章节讲解ThreadX的资源共享机制---互斥信号量（Mutex，即Mutual Exclusion的缩写）。注意，建议初学者学习完前两个章节的信号量后再学习本章节的互斥信号量。

20.1 互斥信号量

20.2 互斥信号量创建函数tx_mutex_create

20.3 互斥信号量获取函数tx_mutex_get

20.4 互斥信号量释放函数tx_mutex_put

20.5 实验例程

20.6 总结

20.1 互斥信号量

20.1.1        互斥信号量的概念及其作用

互斥信号量的主要作用是对资源实现互斥访问，使用二值信号量也可以实现互斥访问的功能，不过互斥信号量与二值信号量有区别。下面我们先举一个通过二值信号量实现资源独享，即互斥访问的例子，让大家有一个形象的认识，进而引出要讲解的互斥信号量。

运行条件：

•  让两个任务Task1和Task2都运行串口打印函数printf，这里我们就通过二值信号量实现对函数printf的互斥访问。如果不对函数printf进行互斥访问，串口打印容易出现乱码。
•  用计数信号量实现二值信号量只需将计数信号量的初始值设置为1即可。

代码实现：

•   创建二值信号量

TX_SEMAPHORE Semaphore;

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: AppObjCreate
*    功能说明: 创建任务通信机制
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void AppObjCreate (void)
{    
    /* 创建信号量，初始值为1，用于二值信号量 */
    tx_semaphore_create(&Semaphore, "Semaphore", 1);
}

•   通过二值信号量实现对printf函数互斥访问的两个任务

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: AppTaskLED
*    功能说明: 实现对串口的互斥访问
*    形    参: thread_input是在创建该任务时传递的形参
*    返 回 值: 无
*   优 先 级: 2  
*********************************************************************************************************
*/
static void AppTaskLED(ULONG thread_input)
{    
    while(1)
    {
        /* 通过二值信号量实现资源互斥访问，永久等待直到资源可用 */
        tx_semaphore_get(&Semaphore, TX_WAIT_FOREVER);
        
        printf("任务AppTaskLED在运行
");
        bsp_LedToggle(1);
        bsp_LedToggle(4);
        
        tx_semaphore_put(&Semaphore);
        
        tx_thread_sleep(100); 
    } 
}

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: AppTaskMsgPro
*    功能说明: 实现对串口的互斥访问
*    形    参: thread_input是在创建该任务时传递的形参
*    返 回 值: 无
*   优 先 级: 3  
*********************************************************************************************************
*/
static void AppTaskMsgPro(ULONG thread_input)
{    
    while(1)
    {
         /* 通过二值信号量实现资源互斥访问，永久等待直到资源可用 */
        tx_semaphore_get(&Semaphore, TX_WAIT_FOREVER);
        
        printf("任务AppTaskMsgPro在运行
");
        bsp_LedToggle(1);
        bsp_LedToggle(4);
        
        tx_semaphore_put(&Semaphore);
        
        tx_thread_sleep(100); 
    }
}

有了上面二值信号量的认识之后，互斥信号量与二值信号量又有什么区别呢？互斥信号量可以防止优先级翻转，而二值信号量不支持，下面我们就讲解一下优先级翻转问题。

20.1.2        优先级翻转问题

下面我们通过如下的框图来说明一下优先级翻转的问题，让大家有一个形象的认识。

 

运行条件：

•   创建3个任务Task1，Task2和Task3，优先级分别为3，2，1。也就是Task1的优先级最高。
•   任务Task1和Task3互斥访问串口打印printf，采用二值信号实现互斥访问。
•   起初Task3通过二值信号量正在调用printf，被任务Task1抢占，开始执行任务Task1，也就是上图的起始位置。

运行过程描述如下：

•   任务Task1运行的过程需要调用函数printf，发现任务Task3正在调用，任务Task1会被挂起，等待Task3释放函数printf。
•   在调度器的作用下，任务Task3得到运行，Task3运行的过程中，由于任务Task2就绪，抢占了Task3的运行。优先级翻转问题就出在这里了，从任务执行的现象上看，任务Task1需要等待Task2执行完毕才有机会得到执行，这个与抢占式调度正好反了，正常情况下应该是高优先级任务抢占低优先级任务的执行，这里成了高优先级任务Task1等待低优先级任务Task2完成。所以这种情况被称之为优先级翻转问题。
•   任务Task2执行完毕后，任务Task3恢复执行，Task3释放互斥资源后，任务Task1得到互斥资源，从而可以继续执行。

上面就是一个产生优先级翻转问题的现象。

20.1.3        ThreadX互斥信号量的实现

ThreadX互斥信号量是怎么实现的呢？其实相对于二值信号量，互斥信号量就是解决了一下优先级翻转的问题。下面我们通过如下的框图来说明一下ThreadX互斥信号量的实现，让大家有一个形象的认识。

 

运行条件：

•   创建2个任务Task1和Task2，优先级分别为1和3，也就是任务Task2的优先级最高。
•   任务Task1和Task2互斥访问串口打印printf。
•   使用ThreadX的互斥信号量实现串口打印printf的互斥访问。

运行过程描述如下：

•  低优先级任务Task1执行过程中先获得互斥资源printf的执行。此时任务Task2抢占了任务Task1的执行，任务Task1被挂起。任务Task2得到执行。
•  任务Task2执行过程中也需要调用互斥资源，但是发现任务Task1正在访问，此时任务Task1的优先级会被提升到与Task2同一个优先级，也就是优先级3，这个就是所谓的优先级继承（Priority inheritance），这样就有效地防止了优先级翻转问题。任务Task2被挂起，任务Task1有新的优先级继续执行。
•  任务Task1执行完毕并释放互斥资源后，优先级恢复到原来的水平。由于互斥资源可以使用，任务Task2获得互斥资源后开始执行。

上面就是一个简单的ThreadX互斥信号量的实现过程。

20.1.4        ThreadX中断方式互斥信号量的实现

互斥信号量仅支持用在ThreadX的任务中，中断函数中不可使用。

20.2 互斥信号量创建函数tx_mutex_create

函数原型：

UINT tx_mutex_create(
    TX_MUTEX *mutex_ptr,
    CHAR *name_ptr, 
    UINT priority_inherit);

函数描述：

此函数用于创建互斥信号量。

1、  第1个参数是互斥信号量控制块。

2、  第2个参数是互斥信号量名字。

3、  第3个参数用于设置是否使能优先级继承

 TX_INHERIT使能优先级继承，即支持优先级反转。

 TX_NO_INHERIT关闭优先级继承。

4、  返回值

TX_SUCCESS (0x00) 互斥信号量创建成功。

TX_MUTEX_ERROR (0x1C) 无效的互斥信号量控制块或者互斥信号量已经创建。

TX_CALLER_ERROR (0x13) 无效调用。

TX_INHERIT_ERROR (0x1F) 无效的优先级继承参数。

注意事项：

•   可以在初始化和任务中调用。

使用举例：

static  TX_MUTEX   AppPrintfSemp;    /* 用于printf互斥 */

/* 创建互斥信号量 */
tx_mutex_create(&AppPrintfSemp,"AppPrintfSemp",TX_INHERIT);

20.3 互斥信号量获取函数tx_mutex_get

函数原型：

UINT tx_mutex_get(
    TX_MUTEX *mutex_ptr, 
    ULONG wait_option);

函数描述：

此函数用于获取互斥信号量，如果互斥信号量已经被调用的任务所拥有，再次调用会触发所有权计数变量加1操作。如果互斥信号量被一个低优先级任务所拥有，并且在创建互斥信号量的时候使能了优先级继承，那么高优先级任务也要获取互斥信号量时，这个低优先级任务的优先级将提升到和高优先级任务一个等级。

1、  第1个参数是互斥信号量控制块。

2、  第2个参数是等待选项：

如果互斥信号量被一个任务锁拥有，这个形参将派上用场：

•   TX_NO_WAIT (0x00000000)，表示不管是否获取成功，立即返回。如果在初始化阶段调用，必须要设置成这个参数。
•   TX_WAIT_FOREVER (0xFFFFFFFF)，表示永久等待，直到有互斥信号量可用)。
•   等待时间，范围0x00000001 到 0xFFFFFFFE，单位系统时钟节拍、

3、  返回值

• TX_SUCCESS（0x00）设置成功。
• TX_DELETED (0x01) 任务挂起阶段，消息队列被删除。
• TX_NO_AVAILABLE (0x1D)等待了指定时间后, 依然无法获取信号量。
• TX_WAIT_ABORTED (0x1A) 挂起被其它任务，定时器组或者中断服务程序终止。
• TX_MUTEX _ERROR (0x1C) 无效的互斥信号量控制块。
• TX_WAIT_ERROR (0x04) 无效调用，主要是在非常任务代码中使用TX_NO_WAIT 以外的形参。比如在中断服务程序里面设置等待。
• TX_CALLER_ERROR (0x13)无效调用

注意事项：

•   可以在初始化，任务，定时器组里面调用。

使用举例：

static  TX_MUTEX   AppPrintfSemp;    /* 用于printf互斥 */

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: App_Printf
*    功能说明: 线程安全的printf方式                        
*    形    参: 同printf的参数。
*             在C中，当无法列出传递函数的所有实参的类型和数目时,可以用省略号指定参数表
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static  void  App_Printf(const char *fmt, ...)
{
    char  buf_str[200 + 1]; /* 特别注意，如果printf的变量较多，注意此局部变量的大小是否够用 */
    va_list   v_args;


    va_start(v_args, fmt);
   (void)vsnprintf((char       *)&buf_str[0],
                   (size_t      ) sizeof(buf_str),
                   (char const *) fmt,
                                  v_args);
    va_end(v_args);

/* 互斥操作 */
    tx_mutex_get(&AppPrintfSemp, TX_WAIT_FOREVER);

    printf("%s", buf_str);

    tx_mutex_put(&AppPrintfSemp);                     
}

20.4 互斥信号量释放函数tx_mutex_put

函数原型：

UINT tx_semaphore_put(TX_SEMAPHORE *semaphore_ptr);

函数描述：

此函数用于释放互斥信号量，当互斥信号量所有权计数变量为0时（每次嵌套调用，此变量都会执行加1操作，释放时执行减1操作），互斥资源才可用。

1、  第1个参数是信号量控制块。

2、  返回值

TX_SUCCESS (0x00) 互斥信号量创建成功。

TX_NOT_OWNED(0x1E) 互斥信号量不被调用者所拥有。

TX_MUTEX_ERROR (0x1C) 无效的互斥信号量控制块或者互斥信号量已经创建。

TX_CALLER_ERROR (0x13) 无效调用。

使用举例：

static  TX_MUTEX   AppPrintfSemp;    /* 用于printf互斥 */

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: App_Printf
*    功能说明: 线程安全的printf方式                        
*    形    参: 同printf的参数。
*             在C中，当无法列出传递函数的所有实参的类型和数目时,可以用省略号指定参数表
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static  void  App_Printf(const char *fmt, ...)
{
    char  buf_str[200 + 1]; /* 特别注意，如果printf的变量较多，注意此局部变量的大小是否够用 */
    va_list   v_args;


    va_start(v_args, fmt);
   (void)vsnprintf((char       *)&buf_str[0],
                   (size_t      ) sizeof(buf_str),
                   (char const *) fmt,
                                  v_args);
    va_end(v_args);

/* 互斥操作 */
    tx_mutex_get(&AppPrintfSemp, TX_WAIT_FOREVER);

    printf("%s", buf_str);

    tx_mutex_put(&AppPrintfSemp);                     
}

20.5 实验例程

配套例子：

V6-3015_ThreadX Semaphore

实验目的：

1. 学习ThreadX互斥信号量

实验内容：

1、共创建了如下几个任务，通过按下按键K1可以通过串口或者RTT打印任务堆栈使用情况                                  

 ========================================================

         CPU利用率 =  0.89%

         任务执行时间 = 0.586484645s

         空闲执行时间 = 85.504470575s

         中断执行时间 = 0.173225395s

         系统总执行时间 = 86.264180615s              

=======================================================

        任务优先级 任务栈大小 当前使用栈  最大栈使用   任务名

          Prio     StackSize   CurStack    MaxStack   Taskname

          2         4092        303         459      App Task Start

          5         4092        167         167      App Msp Pro

          4         4092        167         167      App Task UserIF

           5         4092        167         167      App Task COM

           0         1020        191         191      System Timer Thread           

串口软件可以使用SecureCRT或者H7-TOOL RTT查看打印信息。

App Task Start任务  ：启动任务，这里用作BSP驱动包处理。

App Task MspPro任务 ：消息处理，这里用作信号量获取。

App Task UserIF任务 ：按键消息处理。

App Task COM任务   ：这里用作LED闪烁。

System Timer Thread任务：系统定时器任务

2、(1) 凡是用到printf函数的全部通过函数App_Printf实现。

    (2) App_Printf函数做了信号量的互斥操作，解决资源共享问题。

3、默认上电是通过串口打印信息，如果使用RTT打印信息

(1)   MDK AC5，MDK AC6或IAR通过使能bsp.h文件中的宏定义为1即可

#define Enable_RTTViewer  1

(2)   Embedded Studio继续使用此宏定义为0, 因为Embedded Studio仅制作了调试状态RTT方式查看。

串口打印信息方式（AC5，AC6和IAR）：

波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1

 

RTT打印信息方式（AC5，AC6和IAR）：

 

Embedded Studio仅支持调试状态RTT打印：

 

由于Embedded Studio不支持中文，所以中文部分显示乱码，不用管。

程序执行框图：

 

20.6 总结

本章节主要为大家讲解了另一个重要的资源共享机制-互斥信号量，其中优先级翻转是互斥信号量中一个比较重要的概念，初学者要花些时间去掌握这个知识点。