第六十二章 UCOSII实验2-信号量和邮箱
[mw_shl_code=c,true]1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板
2.软件平台：MDK5.1
3.固件库版本：V1.4.0[/mw_shl_code]
上一章，我们学习了如何使用UCOSII，学习了UCOSII的任务调度，但是并没有用到任务间的同步与通信，本章我们将学习两个最基本的任务间通讯方式：信号量和邮箱。本章分为如下几个部分：
62.1 UCOSII信号量和邮箱简介
62.2 硬件设计
62.3 软件设计
62.4 下载验证
62.1 UCOSII信号量和邮箱简介
系统中的多个任务在运行时，经常需要互相无冲突地访问同一个共享资源，或者需要互相支持和依赖，甚至有时还要互相加以必要的限制和制约，才保证任务的顺利运行。因此，操作系统必须具有对任务的运行进行协调的能力，从而使任务之间可以无冲突、流畅地同步运行，而不致导致灾难性的后果。
例如，任务A和任务B共享一台打印机，如果系统已经把打印机分配给了任务A，则任务B因不能获得打印机的使用权而应该处于等待状态，只有当任务A把打印机释放后，系统才能唤醒任务B使其获得打印机的使用权。如果这两个任务不这样做，那么会造成极大的混乱 。
任务间的同步依赖于任务间的通信。在UCOSII中，是使用信号量、邮箱（消息邮箱）和消息队列这些被称作事件的中间环节来实现任务之间的通信的。本章，我们仅介绍信号量和邮箱，消息队列将会在下一章介绍。
事件
两个任务通过事件进行通讯的示意图如图62.1.1所示：
图62.1.1 两个任务使用事件进行通信的示意图
在图62.1.1中任务1是发信方，任务2是收信方。任务1负责把信息发送到事件上，这项操作叫做发送事件。任务2通过读取事件操作对事件进行查询：如果有信息则读取，否则等待。读事件操作叫做请求事件。
为了把描述事件的数据结构统一起来，UCOSII使用叫做事件控制块(ECB)的数据结构来描述诸如信号量、邮箱（消息邮箱）和消息队列这些事件。事件控制块中包含包括等待任务表在内的所有有关事件的数据，事件控制块结构体定义如下：
typedef struct
{
INT8U OSEventType; //事件的类型
INT16U
OSEventCnt; //信号量计数器
void
*OSEventPtr; //消息或消息队列的指针
INT8U OSEventGrp; //等待事件的任务组
INT8U
OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE];//任务等待表
#if OS_EVENT_NAME_EN > 0u
INT8U *OSEventName; //事件名
#endif
} OS_EVENT;
信号量
信号量是一类事件。使用信号量的最初目的，是为了给共享资源设立一个标志，该标志表示该共享资源的占用情况。这样，当一个任务在访问共享资源之前，就可以先对这个标志进行查询，从而在了解资源被占用的情况之后，再来决定自己的行为。
信号量可以分为两种：一种是二值型信号量，另外一种是N值信号量。
二值型信号量好比家里的座机，任何时候，只能有一个人占用。而N值信号量，则好比公共电话亭，可以同时有多个人（N个）使用。
UCOSII将二值型信号量称之为也叫互斥型信号量，将N值信号量称之为计数型信号量，也就是普通的信号量。本章，我们介绍的是普通信号量，互斥型信号量的介绍，请参考《嵌入式实时操作系统UCOSII原理及应用》5.4节。
接下来我们看看在UCOSII中，与信号量相关的几个函数（未全部列出，下同）。
1） 创建信号量函数
在使用信号量之前，我们必须用函数OSSemCreate来创建一个信号量，该函数的原型为：
OS_EVENT *OSSemCreate (INT16U cnt);
该函数返回值为已创建的信号量的指针，而参数cnt则是信号量计数器（OSEventCnt）的初始值。
2） 请求信号量函数
任务通过调用函数OSSemPend请求信号量，该函数原型如下：
void OSSemPend ( OS_EVENT *pevent, INT16U timeout,
INT8U *err);
其中，参数pevent是被请求信号量的指针，timeout为等待时限，err为错误信息。
为防止任务因得不到信号量而处于长期的等待状态，函数OSSemPend允许用参数timeout设置一个等待时间的限制，当任务等待的时间超过timeout时可以结束等待状态而 进入就绪状态。如果参数timeout被设置为0，则表明任务的等待时间为无限长。
3） 发送信号量函数
任务获得信号量，并在访问共享资源结束以后，必须要释放信号量，释放信号量也叫做发送信号量，发送信号通过OSSemPost函数实现 。OSSemPost 函数在对信号量的计数器操作之前，首先要检查是否还有等待该信号量的任务。如果没有，就把信号量计数器OSEventCnt加一；如果有，则调用调度器OS_Sched(
)去运行等待任务中优先级别最高的任务。函数OSSemPost的原型为：
INT8U OSSemPost(OS_EVENT *pevent);
其中，pevent为信号量指针，该函数在调用成功后，返回值为OS_ON_ERR，否则会根据具体错误返回OS_ERR_EVENT_TYPE、OS_SEM_OVF。
4） 删除信号量函数
应用程序如果不需要某个信号量了，那么可以调用函数OSSemDel来删除该信号量，该函数的原型为：
OS_EVENT *OSSemDel (OS_EVENT *pevent,INT8U opt, INT8U
*err);
其中，pevent为要删除的信号量指针，opt为删除条件选项，err为错误信息。
邮箱
在多任务操作系统中，常常需要在任务与任务之间通过传递一个数据（这种数据叫做“消息”）的方式来进行通信。为了达到这个目的，可以在内存中创建一个存储空间作为该数据的缓冲区。如果把这个缓冲区称之为消息缓冲区，这样在任务间传递数据（消息）的最简单办法就是传递消息缓冲区的指针。我们把用来传递消息缓冲区指针的数据结构叫做邮箱（消息邮箱）。
在UCOSII中，我们通过事件控制块的OSEventPrt来传递消息缓冲区指针，同时使事件控制块的成员OSEventType为常数OS_EVENT_TYPE_MBOX，则该事件控制块就叫做消息邮箱。
接下来我们看看在UCOSII中，与消息邮箱相关的几个函数。
1） 创建邮箱函数
创建邮箱通过函数OSMboxCreate实现，该函数原型为：
OS_EVENT *OSMboxCreate (void *msg);
函数中的参数msg为消息的指针，函数的返回值为消息邮箱的指针。
调用函数OSMboxCreate需先定义msg的初始值。在一般的情况下，这个初始值为NULL；但也可以事先定义一个邮箱，然后把这个邮箱的指针作为参数传递到函数OSMboxCreate 中，使之一开始就指向一个邮箱。
2） 向邮箱发送消息函数
任务可以通过调用函数OSMboxPost 向消息邮箱发送消息，这个函数的原型为：
INT8U OSMboxPost (OS_EVENT *pevent,void *msg);
其中pevent为消息邮箱的指针，msg为消息指针。
3） 请求邮箱函数
当一个任务请求邮箱时需要调用函数OSMboxPend，这个函数的主要作用就是查看邮箱指针OSEventPtr是否为NULL，如果不是NULL就把邮箱中的消息指针返回给调用函数的任务，同时用OS_NO_ERR通过函数的参数err通知任务获取消息成功；如果邮箱指针OSEventPtr是NULL，则使任务进入等待状态，并引发一次任务调度。
函数OSMboxPend的原型为：
void *OSMboxPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err);
其中pevent为请求邮箱指针，timeout为等待时限，err为错误信息。
4） 查询邮箱状态函数
任务可以通过调用函数OSMboxQuery查询邮箱的当前状态。该函数原型为：
INT8U OSMboxQuery(OS_EVENT *pevent,OS_MBOX_DATA *pdata);
其中pevent为消息邮箱指针，pdata为存放邮箱信息的结构。
5） 删除邮箱函数
在邮箱不再使用的时候，我们可以通过调用函数OSMboxDel来删除一个邮箱，该函数原型为：
OS_EVENT *OSMboxDel(OS_EVENT *pevent,INT8U opt,INT8U *err);
其中pevent为消息邮箱指针，opt为删除选项，err为错误信息。
关于UCOSII信号量和邮箱的介绍，就到这里。更详细的介绍，请参考《嵌入式实时操作系统UCOSII原理及应用》第五章。
62.2 硬件设计
本节实验功能简介：本章我们在UCOSII里面创建6个任务：开始任务、LED任务、触摸屏任务、蜂鸣器任务、按键扫描任务和主任务，开始任务用于创建信号量、创建邮箱、初始化统计任务以及其他任务的创建，之后挂起；LED任务用于DS0控制，提示程序运行状况；蜂鸣器任务用于测试信号量，是请求信号量函数，每得到一个信号量，蜂鸣器就叫一次；触摸屏任务用于在屏幕上画图，可以用于测试CPU使用率；按键扫描任务用于按键扫描，优先级最高，将得到的键值通过消息邮箱发送出去；主任务则通过查询消息邮箱获得键值，并根据键值执行DS1控制、信号量发送（蜂鸣器控制）、触摸区域清屏和触摸屏校准等控制。
所要用到的硬件资源如下：
1） 指示灯DS0 、DS1
2） 4个按键（KEY0/KEY1/KEY2/KEY_UP）
3） 蜂鸣器
4） TFTLCD模块
这些，我们在前面的学习中都已经介绍过了。
62.3 软件设计
本章，我们在第三十三章实验 （实验28 ）的基础上修改。首先，是UCOSII代码的添加，具体方法同上一章一模一样，本章就不再详细介绍了。
在加入UCOSII代码后，我们只需要修改main.c函数了，打开main.c，输入如下代码：
/////////////////////////UCOSII任务设置///////////////////////////////////
//START 任务
#define START_TASK_PRIO 10
//设置任务优先级
#define START_STK_SIZE 64 //设置任务堆栈大小
OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE]; //任务堆栈
void start_task(void *pdata); //任务函数
//触摸屏任务
#define TOUCH_TASK_PRIO 7 //设置任务优先级
#define TOUCH_STK_SIZE 64 //设置任务堆栈大小
OS_STK TOUCH_TASK_STK[TOUCH_STK_SIZE]; //任务堆栈
void touch_task(void *pdata); //任务函数
//LED任务
#define LED_TASK_PRIO 6 //设置任务优先级
#define LED_STK_SIZE 64 //设置任务堆栈大小
OS_STK LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE]; //任务堆栈
void led_task(void *pdata); //任务函数
//蜂鸣器任务
#define BEEP_TASK_PRIO 5
//设置任务优先级
#define BEEP_STK_SIZE 64 //设置任务堆栈大小
OS_STK BEEP_TASK_STK[BEEP_STK_SIZE]; //任务堆栈
void beep_task(void *pdata); //任务函数
//主任务
#define MAIN_TASK_PRIO 4
//设置任务优先级
#define MAIN_STK_SIZE 128 //设置任务堆栈大小
OS_STK MAIN_TASK_STK[MAIN_STK_SIZE]; //任务堆栈
void main_task(void *pdata); //任务函数
//按键扫描任务
#define KEY_TASK_PRIO 3
//设置任务优先级
#define KEY_STK_SIZE 64 //设置任务堆栈大小
OS_STK KEY_TASK_STK[KEY_STK_SIZE]; //任务堆栈
void key_task(void *pdata); //任务函数
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
OS_EVENT * msg_key; //按键邮箱事件块指针
OS_EVENT * sem_beep; //蜂鸣器信号量指针
//加载主界面
void ucos_load_main_ui(void)
{
LCD_Clear(WHITE); //清屏
POINT_COLOR=RED; //设置字体为红色
LCD_ShowString(30,10,200,16,16,"Explorer
STM32");
LCD_ShowString(30,30,200,16,16,"UCOSII
TEST2");
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,75,200,16,16,"KEY0 S1
KEY_UP:ADJUST");
LCD_ShowString(30,95,200,16,16,"KEY1:BEEP KEY2:CLEAR");
LCD_ShowString(80,210,200,16,16,"Touch
Area");
LCD_DrawLine(0,120,lcddev.width,120);
LCD_DrawLine(0,70,lcddev.width,70);
LCD_DrawLine(150,0,150,70);
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(160,30,200,16,16,"CPU: %");
LCD_ShowString(160,50,200,16,16,"SEM:000");
}
int main(void)
{
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口波特率为115200
LED_Init(); //初始化LED
BEEP_Init(); //蜂鸣器初始化
KEY_Init();
//按键初始化
LCD_Init(); //LCD初始化
tp_dev.init(); //触摸屏初始化
ucos_load_main_ui(); //加载主界面
OSInit();
//初始化UCOSII
OSTaskCreate(start_task,(void *)0,(OS_STK
*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE
-1],START_TASK_PRIO );//创建起始任务
OSStart(); //启动UCOSII
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//以下代码为支持画粗线而编写，如不需要，可以去掉。
//画水平线
//x0,y0:坐标
//len:线长度
//color:颜色
void gui_draw_hline(u16 x0,u16 y0,u16 len,u16
color)
{
if(len==0)return;
LCD_Fill(x0,y0,x0+len-1,y0,color);
}
//画实心圆
//x0,y0:坐标
//r:半径
//color:颜色
void gui_fill_circle(u16 x0,u16 y0,u16 r,u16
color)
{
u32 i;
u32
imax = ((u32)r*707)/1000+1;
u32
sqmax = (u32)r*(u32)r+(u32)r/2;
u32
x=r;
gui_draw_hline(x0-r,y0,2*r,color);
for
(i=1;i<=imax;i++)
{
if
((i*i+x*x)>sqmax)// draw lines from outside
{
if (x>imax)
{
gui_draw_hline
(x0-i+1,y0+x,2*(i-1),color);
gui_draw_hline
(x0-i+1,y0-x,2*(i-1),color);
}
x--;
}
//
draw lines from inside (center)
gui_draw_hline(x0-x,y0+i,2*x,color);
gui_draw_hline(x0-x,y0-i,2*x,color);
}
}
//两个数之差的绝对值
//x1,x2：需取差值的两个数
//返回值：|x1-x2|
u16 my_abs(u16 x1,u16 x2)
{
if(x1>x2)return
x1-x2;
else
return x2-x1;
}
//画一条粗线
//(x1,y1),(x2,y2):线条的起始坐标
//size：线条的粗细程度
//color：线条的颜色
void lcd_draw_bline(u16 x1, u16 y1, u16 x2, u16
y2,u8 size,u16 color)
{
u16 t;
int
xerr=0,yerr=0,delta_x,delta_y,distance;
int
incx,incy,uRow,uCol;
if(x1<size||
x2<size||y1<size|| y2<size)return;
delta_x=x2-x1;
//计算坐标增量
delta_y=y2-y1;
uRow=x1;
uCol=y1;
if(delta_x>0)incx=1;
//设置单步方向
else
if(delta_x==0)incx=0;//垂直线
else
{incx=-1;delta_x=-delta_x;}
if(delta_y>0)incy=1;
else
if(delta_y==0)incy=0;//水平线
else{incy=-1;delta_y=-delta_y;}
if(
delta_x>delta_y)distance=delta_x; //选取基本增量坐标轴
else distance=delta_y;
for(t=0;t<=distance+1;t++
)//画线输出
{
gui_fill_circle(uRow,uCol,size,color);//画点
xerr+=delta_x
; yerr+=delta_y ;
if(xerr>distance)
{ xerr-=distance; uRow+=incx; }
if(yerr>distance)
{ yerr-=distance; uCol+=incy;}
}
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//开始任务
void start_task(void *pdata)
{
OS_CPU_SR cpu_sr=0;
pdata
= pdata;
msg_key=OSMboxCreate((void*)0);//创建消息邮箱
sem_beep=OSSemCreate(0); //创建信号量
OSStatInit(); //初始化统计任务.这里会延时1秒钟左右
OS_ENTER_CRITICAL(); //进入临界区(无法被中断打断)
OSTaskCreate(touch_task,(void
*)0,(OS_STK*)&TOUCH_TASK_STK[TOUCH_STK_
SIZE-1],TOUCH_TASK_PRIO);
OSTaskCreate(led_task,(void
*)0,(OS_STK*)&LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE-1],
LED_TASK_PRIO);
OSTaskCreate(beep_task,(void
*)0,(OS_STK*)&BEEP_TASK_STK[BEEP_STK_SIZE-1],
BEEP_TASK_PRIO);
OSTaskCreate(main_task,(void
*)0,(OS_STK*)&MAIN_TASK_STK[MAIN_STK_SIZE-
1],MAIN_TASK_PRIO);
OSTaskCreate(key_task,(void
*)0,(OS_STK*)&KEY_TASK_STK[KEY_STK_SIZE-1],
KEY_TASK_PRIO);
OSTaskSuspend(START_TASK_PRIO); //挂起起始任务.
OS_EXIT_CRITICAL(); //退出临界区(可以被中断打断)
}
//LED任务
void led_task(void *pdata)
{
u8 t;
while(1)
{
t++;delay_ms(10);
if(t==8)LED0=1; //LED0灭
if(t==100) //LED0亮
{
t=0;LED0=0;
}
}
}
//蜂鸣器任务
void beep_task(void *pdata)
{
u8
err;
while(1)
{
OSSemPend(sem_beep,0,&err);
BEEP=1;delay_ms(60);
BEEP=0;delay_ms(940);
}
}
//触摸屏任务
void touch_task(void *pdata)
{
u32
cpu_sr;
u16 lastpos[2]; //最后一次的数据
while(1)
{
tp_dev.scan(0);
if(tp_dev.sta&TP_PRES_DOWN) //触摸屏被按下
{
if(tp_dev.x[0]<lcddev.width&&tp_dev.y[0]<lcddev.height&&tp_dev.y[0]>120)
{
if(lastpos[0]==0XFFFF)
{
lastpos[0]=tp_dev.x[0];
lastpos[1]=tp_dev.y[0];
}
OS_ENTER_CRITICAL();//进入临界段,防止打断LCD操作,导致乱序.
lcd_draw_bline(lastpos[0],lastpos[1],tp_dev.x[0],tp_dev.y[0],2,RED);//画线
OS_EXIT_CRITICAL();
lastpos[0]=tp_dev.x[0];
lastpos[1]=tp_dev.y[0];
}
}else
lastpos[0]=0XFFFF;//没有触摸
delay_ms(5);
}
}
//主任务
void main_task(void *pdata)
{
u32
key=0;
u8 err,semmask=0,tcnt=0;
while(1)
{
key=(u32)OSMboxPend(msg_key,10,&err);
switch(key)
{
case
1://控制DS1
LED1=!LED1;
break;
case
2://发送信号量
semmask=1;
OSSemPost(sem_beep);
break;
case
3://清除
LCD_Fill(0,121,lcddev.width,lcddev.height,WHITE);
break;
case
4://校准
OSTaskSuspend(TOUCH_TASK_PRIO); //挂起触摸屏任务
if((tp_dev.touchtype&0X80)==0)TP_Adjust();
OSTaskResume(TOUCH_TASK_PRIO); //解挂
ucos_load_main_ui(); //重新加载主界面
break;
}
if(semmask||sem_beep->OSEventCnt)//需要显示sem
{
POINT_COLOR=BLUE;
LCD_ShowxNum(192,50,sem_beep->OSEventCnt,3,16,0X80);//显示信号量值
if(sem_beep->OSEventCnt==0)semmask=0; //停止更新
}
if(tcnt==50)//0.5秒更新一次CPU使用率
{
tcnt=0;
POINT_COLOR=BLUE;
LCD_ShowxNum(192,30,OSCPUUsage,3,16,0); //显示CPU使用率
}
tcnt++;
delay_ms(10);
}
}
//按键扫描任务
void key_task(void *pdata)
{
u8
key;
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key)OSMboxPost(msg_key,(void*)key);//发送消息
delay_ms(10);
}
}
该部分代码我们创建了6个任务：start_task、led_task、beep_task、touch_task、main_task和key_task，优先级分别是10和7~3，堆栈大小除了main_task是128，其他都是64。
该程序的运行流程就比上一章复杂了一些，我们创建了消息邮箱msg_key，用于按键任务和主任务之间的数据传输（传递键值），另外创建了信号量sem_beep，用于蜂鸣器任务和主任务之间的通信。
本代码中，我们使用了UCOSII提供的CPU统计任务，通过OSStatInit初始化CPU统计任务，然后在主任务中显示CPU使用率。
另外，在主任务中，我们用到了任务的挂起和恢复函数，在执行触摸屏校准的时候，我们必须先将触摸屏任务挂起，待校准完成之后，再恢复触摸屏任务。这是因为触摸屏校准和触摸屏任务都用到了触摸屏和TFTLCD，而这两个东西是不支持多个任务占用的，所以必须采用独占的方式使用，否则可能导致数据错乱。
软件设计部分就为大家介绍到这里。
62.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到探索者STM32F4开发板上，可以看到LCD显示界面如图62.4.1所示：
图62.4.1 初始界面
从图中可以看出，默认状态下，CPU使用率仅为2%。此时通过在触摸区域画图，可以看到CPU使用率飙升(20%多)，说明触摸屏任务是一个很占CPU的任务；通过按KEY0，可以控制DS1的亮灭；通过按KEY1则可以控制蜂鸣器的发声（连续按下多次后，可以看到蜂鸣每隔1秒叫一次），同时，可以在LCD上面看到信号量的当前值；通过按KEY2，可以清除触摸屏的输入；通过按KEY_UP可以进入校准程序，进行触摸屏校准（注意，电容触摸屏不需要校准，所以如果是电容屏，按KEY_UP，就相当于清屏一次的效果，不会进行校准）。
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