ucos(四)共享资源保护

一、共享资源

典型的共享资源有：变量（静态或全局）、数据结构体、RAM中的表格、I/O设备中的寄存器、多个任务访问的函数等。

共享资源的可靠访问，任务必须对数据具有独享权变得极其重要，否则将可能导致任务间的竞争与数据损坏。

最常用的独占共享资源的方法有以下几种：

• 关中断
• 禁止任务调度
• 使用信号量
• 使用互斥型信号量（互斥锁）

独占共享资源的方法，取决于代码访问共享资源的速度，即占用共享资源的时间（重点），具体使用说明如下表：

1、关/开中断

和CPU 相关的操作，其相关代码被放在与CPU相关的文件中（见CPU.H）。uC/OS-III 中与CPU相关的模块叫做uC/CPU。每种架构的CPU 都需要设置相适应的uC/CPU 文件。

 

只有这种方法才能任务和中断程序共享资源。只要关中断的时间不比系统本身的关中断时间长，就不会影响到系统的中断延时。

2、锁调度器

如果任务不需要和ISR 共享资源，就可以通过锁调度器来访问共享资源。
实际上就是禁止任务调度已达到资源的独占

 

注意，只有调度器被锁，中断是使能的，如果在处理临界段时中断发生，ISR程序就会被执行。在ISR 的末尾，uC/OS-III会返回原任务（即使ISR中有高优先级任务被就绪）。

支持嵌套250 级。当OSSchedUnlock()与OSSchedLock()被调用的次数相同时调度器才被锁调度器影响了抢占式内核的初衷，内核行为实际与不可剥夺的内核已经是一样的了。

3、信号量

一种上锁机制，代码需要获取对应的钥匙才能访问共享资源（继续执行），我的理解是实际上只是对访问共享资源区的代码段进行上锁，如果没有获取到钥匙（信号量）则等待无法继续执行，只有别的任务施放了信号量之后才能继续执行下去。

二进制信号量和计数型信号量：

　　二进制信号量只能取0和1两个值，计数型信号量的信号量值大于1，计数型信号量的范围由OS_SEM_CTR决定，OS_SEM_CTR可以为8位，16位和32位，取值范围分别为：0~255,0~65535和0~4294967295。

　　二值信号量用于那些一次只能一个任务使用的资源，比如I/O设备，打印机，数型信号量用于某些资源可以同时被几个任务所使用，比如一个缓存池有10个缓存块，那么同时最多可以支持10个任务来使用内存池。应用中可以使用任意数量的信号量，但是一般用于IO保护，很多情况下，访问一个简短的共享资源时不推荐使用信号量，请求和释放信号量会消耗CPU时间。

 （1）定义一个信号量

OS_SEM XXX 

（2）创建一个信号量

void  OSSemCreate (OS_SEM *p_sem, //信号量结构体，其中OS_SEM_CTR Ctr表示信号量的值
                   CPU_CHAR *p_name,//名字
                   OS_SEM_CTR cnt,   //信号量初始值
                   OS_ERR *p_err)

（3）删除一个信号量

OS_OBJ_QTY  OSSemDel(OS_SEM *p_sem,
                     OS_OPT opt, 
     //1.NO_PEND 仅当没有信号请求的时候才删除
     //2.ALWAYS 直接删除，不管有没有信号请求
                     OS_ERR *p_err)

（4）请求/等待一个信号量　　

OS_SEM_CTR  OSSemPend(OS_SEM *p_sem, 
                      OS_TICK timeout,//等待的时间，如果为0：一直等待下去
                      OS_OPT opt,
         //1.暂时无效直接挂起 OS_OPT_PEND_BLOCKING
         //2.无效直接返回OS_OPT_PEND_NON_BLOCKING
                      CPU_TS *p_ts,//时间戳：记录接受信号量的时刻，0或者null则不需要时间戳。
                      OS_ERR *p_err)

（5）取消等待

OS_OBJ_QTY  OSSemPendAbort(OS_SEM *p_sem,
                           OS_OPT opt,
             //1. 仅终止等待该信号量的最高优先级任务
             //2. 中止所有的等待该信号量的任务
             //3. 禁止任务调度
                           OS_ERR *p_err)

（6）释放一个信号量

OS_SEM_CTR OSSemPost(OS_SEM *p_sem,
                     OS_OPT opt,
              //1. 仅发送给等待该信号量的最高优先级任务
              //2. 发送给所有的等待该信号量的任务
              //3. 禁止任务调度
                     OS_ERR *p_err)

（7）步骤：

• 先定义OS_SEM。
• Create创建信号量.
• OSSemPend等待信号量.
• OSSemPost释放信号量.

4、互斥信号量

　　使用信号量访问共享资源会有优先级反转问题：高优先级A任务执行访问共享资源的时候被迫等待低优先级任务D释放信号量，此时会发生任务切换到低优先级。如果此时又有高一级的任务B中断了D的任务，虽然B任务比A任务优先级更低，也会发生任务调度。使得高优先级任务A实际上被拉到占用信号量的低优先级任务D同一优先级别，违背了实时RTOS。

互斥信号量实际解决方法：将低优先级任务D的优先级临时提升至任务A同一优先级，等信号量释放后，再将任务D的优先级恢复，这样任务切换只在这两个任务之间执行（如果有比A更高的还是会切换）。

 （1）创建互斥信号量

void  OSMutexCreate(OS_MUTEX  *p_mutex,//指向互斥信号量的控制块
                    CPU_CHAR  *p_name, //互斥信号量名字
                    OS_ERR    *p_err)//调用此函数后返回的错误码

（2）请求/等待互斥信号量

void  OSMutexPend(OS_MUTEX  *p_mutex, //指向互斥信号量的控制块
                  OS_TICK timeout,//指定等待互斥信号量的超时节拍，超时继续执行，0位一直等待
                  OS_OPT opt,//是否阻塞
             //OS_OPT_PEND_BLOCKING无效挂起
             //OS_OPT_PEND_NON_BLOCKING无效直接返回
                  CPU_TS *p_ts,//时间戳
                  OS_ERR *p_err)//错误码

（3）释放互斥信号量

void  OSMutexPost(OS_MUTEX *p_mutex,//指向互斥信号量

                  OS_OPT opt,//指定是否进行任务调度操作
    //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

                  OS_ERR *p_err)//错误码

（4）步骤：

• 先定义OS_MUTEX xxxx
• Create创建信号量
• OSMutexPend等待信号量
• OSMutexPost释放信号量

5、死锁

任务1需要的资源要等到任务2释放，任务2的资源需要等待任务1释放，造成死锁。

（1）假定任务T1 所等待的事情发生，任务1被执行。

（2）任务T1 申请M1。(mutex 1)

（3）任务T1 访问资源R1。

（4）中断发生，中断中使能了任务T2。由于任务T2 的优先级高于任务T1，CPU 切换到任务T2。

（5）该中断即是任务T2 所等待的事件。

（6）任务T2 申请M2 并占用资源R2。

（7）任务T2 申请M1，但是M1 已被任务T1 占用。任务T2被挂起。

（8）uC/OS-III 切换到任务T1。

（9）此时任务T1 申请M2，但是M2 已经被任务T2 占用。

此时，两个任务互相等待，这就算死锁。

用以下方式防止死锁：

• 同一个时间不要申请多于一个mutex
• 不要直接地申请mutex（该申请放到器件驱动中和可重入函数中）
• 在处理之前先获得全部所需要的mutex
• 任务间以同样的顺序申请资源

当申请信号量或mutex 时允许设置时间期限，这样能防止死锁，但是同样的死锁可能稍后再次出现。

二、选择题

1.以下请问使用（ A ）方式保护最为合适。

void T1(void *parg)
{
	while(1)
	{ 
         ...........
	        喂狗	
         ...........		
	}
}

A. 关中断、开中断  　　B.给调度器上锁、解锁　　 C.信号量 　　D.互斥锁

 

2.以下请问使用（ B ）方式保护最为合适。

uint32 g=0;
void T1(void *parg)
{
	while(1)
	{ 
         ...........
	        g++;	
         ...........		
	}
}

void T2(void *parg)
{
   uint32_t a=0;
	while(1)
	{ 
         ...........
	        a = g;	
         ...........		
	}
}

A. 关中断、开中断 　　B.给调度器上锁、解锁　　 C.信号量　　 D.互斥锁

3.以下请问使用（ A ）方式保护最为合适。

uint32 g=0;

void T1(void *parg)
{
	while(1)
	{ 
         ...........
	        g++;	
         ...........		
	}
}

void T2(void *parg)
{
   uint32_t a=0;
	while(1)
	{ 
         ...........
	        a = g;	
         ...........		
	}
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
    
         ...........
	        g = USART_ReceiveData(USART1);	
         ...........  
    
}

A. 关中断、开中断 　　B.给调度器上锁、解锁 　　C.信号量 　　D.互斥锁

4.以下请问使用（ C ）方式保护最为合适。

void T1(void *parg)
{
	while(1)
	{ 
         ...........
         printf("hello teacher.wen
");	
         ...........		
	}
}

void T2(void *parg)
{

	while(1)
	{ 
         ...........
         printf("good bye teacher.wen
");	
         ...........		
	}
}

　

A. 关中断、开中断 　　B.给调度器上锁、解锁　　 C.信号量 　　D.互斥锁

5.以下请问使用（ D ）方式保护最为合适。

void T1(void *parg)
{
	while(1)
	{ 
         ...........
         printf("hello teacher.wen
");	
         ...........		
	}
}

void T2(void *parg)
{

	while(1)
	{ 
         ...........
         printf("good bye teacher.wen
");	
         ...........		
	}
}

void T3(void *parg)
{
	while(1)
	{ 
         ...........
         printf("he's teacher.wen
");	
         ...........		
	}
}

　

A. 关中断、开中断　　 B.给调度器上锁、解锁 　　C.信号量　　 D.互斥锁

三、辨析题

1.请分析以下代码。

void T1(void *parg)
{

	while(1)
	{ 
            调度器上锁
            printf("hello teacher.wen
");
            delay_ms(1000)	
            调度器解锁		
	}
}

void T2(void *parg)
{
	while(1)
	{ 
            调度器上锁
            printf("good bye teacher.wen
");
            delay_ms(1000)	
            调度器解锁			
	}
}

 

2.请分析以下代码。

void T1(void *parg)
{

	while(1)
	{ 
            等待互斥锁
            printf("hello teacher.wen
");
            OLED_ShowString(0,2,"this is task 1
");
            释放互斥锁		
	}
}

void T2(void *parg)
{
   uint8_t buf[5]={0};
	while(1)
	{ 
            等待互斥锁
            printf("good bye teacher.wen
");
            dht11_read(buf)
            ......
            释放互斥锁			
	}
}

3.请分析以下代码。

void T1(void *parg)
{

	while(1)
	{ 
            等待互斥锁
            printf("hello teacher.wen
");
            OLED_ShowString(0,2,"this is task 1
");
            释放互斥锁		
	}
}

void T2(void *parg)
{
   uint8_t buf[5]={0};
	while(1)
	{ 
            等待互斥锁
            printf("good bye teacher.wen
");
            dht11_read(buf)
            ......
            释放互斥锁			
	}
}

4.请分析以下代码。

void app_task_init(void *parg)
{
    创建信号量，初值为0
}

void T1(void *parg)
{
	while(1)
	{ 
            等待信号量
            printf("hello teacher.wen
");
            释放信号量		
	}
}

void T2(void *parg)
{
	while(1)
	{ 
            等待信号量
            printf("good bye teacher.wen
");
            释放信号量			
	}
}