在Arduino IDE中使用FreeRTOS信号量

描述

Arduino IDE 和环境有许多触手可及的驱动程序和库，但 Arduino 环境仅限于setup()和loop()并且不支持有效的多任务处理。

本文介绍了互斥信号量在易于使用且功能强大的 FreeRTOS 实现中的使用，该实现作为库包含在 Arduino IDE 中，并允许使用两种环境的最佳部分。

背景

大多数操作系统似乎都允许多个程序或线程同时执行。这称为多任务处理。实际上，每个处理器内核在任何给定时间点只能运行一个程序。操作系统的一部分称为调度程序，负责决定何时运行哪个程序，并通过在每个程序之间快速切换来提供同时执行的错觉。

传统的实时调度程序，例如FreeRTOS中使用的调度程序，通过允许用户为每个执行线程分配优先级来实现确定性。调度程序然后使用优先级来知道接下来要运行哪个执行线程。在 FreeRTOS 中，执行线程称为Task 。

当两个或多个任务共享一个硬件资源时，例如串行端口，可能会出现这样的情况，即调度程序将在一个任务完成其串行输出之前将其换出，而另一个任务将开始并可能提供一些串行输出，有效地在第一个任务的输出上涂鸦。

这种情况可以通过使用信号量（也称为标志）来保护硬件资源，并防止它被使用，直到它被使用它的任务释放，才能避免这种情况。

互斥信号量是包含优先级继承机制的二进制信号量。鉴于二进制信号量是实现同步（任务之间或任务与中断之间）的更好选择，互斥信号量 是实现简单互斥（因此 'MUT'ual 'EX'clusion）的更好选择。

在此示例中，我们将使用 互斥信号量 来保护我们的串行端口。

当用于互斥时，互斥量就像一个用于保护资源的令牌。当任务希望访问资源时，它必须首先获取或“获取”令牌。当它完成对资源的使用后，它必须“返还”令牌，让其他任务有机会访问同一资源。

让我们开始吧

在之前的 ProTip 中，我们描述了如何为 Arduino IDE 安装 FreeRTOS 库，并测试它是否正常工作。如果您尚未执行此步骤，请立即执行。

现在要么将该AnalogRead_DigitalRead.ino文件加载到您的 Arduino IDE 中，要么将其复制并粘贴到一个新文件中，您应该正确命名并保存该文件。

在草图中，有几个步骤可以创建和使用互斥信号量来保护串行端口。

首先，需要将互斥量信号量的句柄声明为全局变量。我们将此作为全局执行，以便所有任务都可以引用信号量，并检查其可用性是否为“已获取”。

在setup()函数中，我们通过检查 Handle 是否为 来检查 Semaphore 是否尚未创建NULL。然后我们继续创建信号量，通过再次检查句柄内容确认它已正确创建，然后在调度程序运行后最后“让”它自由使用。

现在，每当一个任务想要使用串口Serial.println() 功能时，它应该确保它事先“获取”了串口信号量。一旦任务完成串行端口，则它必须“提供”信号量以允许其他任务访问该端口。

下一步

现在您已经创建了一个草图，其中包含多个任务写入受保护的串行端口，请尝试在没有信号量的情况下发生什么情况，方法是在每个任务中注释掉“获取”和“提供”信号量的代码。

尝试在两个、三个或更多任务中打印长行文本，看看使用和不使用保护性信号量会发生什么。

阅读 FreeRTOS 关于队列、互斥锁和信号量的详细描述。有许多其他可用的信号量类型，理解每种类型应该在什么地方使用以达到最佳效果很重要。