「正点原子NANO STM32开发板资料连载」第三十七章 UCOSII 实验 2

1）实验平台：alientek NANO STM32F411 V1开发板
2）摘自《正点原子STM32F4 开发指南（HAL 库版》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第三十七章 UCOSII 实验 2-信号量和邮箱
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：
37.1 UCOSII 信号量和邮箱简介
37.2 硬件设计
37.3 软件设计
37.4 下载验证
37.1 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 37.1.1 所示：

在图 37.1.1 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。
37.2 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、LED0 任务、LED1
任务、数码管显示任务、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；LED0 任务用于 DS0 控制，提示程序运行状况；
LED1 任务用于测试信号量，是请求信号量函数，每得一个信号量，DS1 就会闪一下；数
码管显示任务用于测试数码管显示；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，并根据键值执行信号量发送
（DS1 控制）、数码管显示变化的控制。
所要用到的硬件资源如下：
1） 指示灯 DS0 、DS1
2） 2 个按键（KEY0/KEY1）
3） 数码管
这些，我们在前面的学习中都已经介绍过了。
37.3 软件设计
本章，我们在第十七章实验 （实验 12 ）的基础上修改，具体方法同上一章一模一样，本章我们就不再详细介绍了。
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
//设置任务优先级
#define START_TASK_PRIO
10 //开始任务的优先级设置为最低
//设置任务堆栈大小
#define START_STK_SIZE
64
//任务堆栈
OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE];
//任务函数
void start_task(void *pdata);
//LED0 任务
//设置任务优先级
#define LED0_TASK_PRIO
7
//设置任务堆栈大小
#define LED0_STK_SIZE
64
//任务堆栈
OS_STK LED0_TASK_STK[LED0_STK_SIZE];
//任务函数
void led0_task(void *pdata);
//数码管显示任务
//设置任务优先级
#define SMG_TASK_PRIO
6
//设置任务堆栈大小
#define SMG_STK_SIZE
64
//任务堆栈
OS_STK SMG_TASK_STK[SMG_STK_SIZE];
//任务函数
void smg_task(void *pdata);
//LED1 任务
//设置任务优先级
#define LED1_TASK_PRIO
5
//设置任务堆栈大小
#define LED1_STK_SIZE
128
//任务堆栈
OS_STK LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE];
//任务函数
void led1_task(void *pdata);
//主任务
//设置任务优先级
#define MAIN_TASK_PRIO
4
//设置任务堆栈大小
#define MAIN_STK_SIZE
128
//任务堆栈
OS_STK MAIN_TASK_STK[MAIN_STK_SIZE];
//任务函数
void main_task(void *pdata);
//按键扫描任务
//设置任务优先级
#define KEY_TASK_PRIO
3
//设置任务堆栈大小
#define KEY_STK_SIZE
64
//任务堆栈
OS_STK KEY_TASK_STK[KEY_STK_SIZE];
//任务函数
void key_task(void *pdata);
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
OS_EVENT * msg_key;
//按键邮箱事件块指针
OS_EVENT * sem_led1;
//LED1 信号量指针
//共阴数字数组
//0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F, .,全灭
u8
smg_num[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0xee,0x3e,0x9c,0x7a,0x9e,0x8e,0
x01,0x00};
u8 smg_duan=0;//数码管段选
int main(void)
{
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(96,4,2,4);
//设置时钟,96Mhz
delay_init(96);
//初始化延时函数
LED_Init();
//初始化与 LED 连接的硬件接口
KEY_Init();
//按键初始化
LED_SMG_Init();
//数码管初始化
OSInit();
OSTaskCreate(start_task,(void
*)0,(OS_STK
*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO );//创建起始任务
OSStart();
}
//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_led1=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(led0_task,(void *)0,
(OS_STK*)&LED0_TASK_STK[LED0_STK_SIZE-1],LED0_TASK_PRIO);
OSTaskCreate(smg_task,(void *)0,
(OS_STK*)&SMG_TASK_STK[SMG_STK_SIZE-1],SMG_TASK_PRIO);
OSTaskCreate(led1_task,(void *)0,
(OS_STK*)&LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE-1],LED1_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)
}
//LED0 任务
void led0_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;
}
}
}
//LED1 任务
void led1_task(void *pdata)
{
u8 err;
while(1)
{
OSSemPend(sem_led1,0,&err);
LED1=0;
delay_ms(200);
LED1=1;
delay_ms(800);
}
}
//数码管显示任务
void smg_task(void *pdata)
{
while(1)
{
LED_Write_Data(smg_num[smg_duan],7);//数码管显示
LED_Refresh();//刷新显示
delay_ms(10);
}
}
//主任务
void main_task(void *pdata)
{
u32 key=0;
u8 err;
while(1)
{
key=(u32)OSMboxPend(msg_key,10,&err);
switch(key)
{
case KEY0_PRES://发送信号量
OSSemPost(sem_led1);
break;
case KEY1_PRES://数码管显示加 1
smg_duan++;
if(smg_duan==17) smg_duan=0;
break;
}
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、led0_task、smg_task、led1_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_led1，用于 LED1 任务和主任
务之间的通信。
软件设计部分就为大家介绍到这里。
37.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 NANO STM32F4 V1 上，可以看到数码管显示
如图 37.4.1 所示：

数码管会显示 0，同时 DS0 在闪烁，当按下 KEY1 按键数码管会更新显示，按下 KEY0 按
键 DS0 会闪烁一次，多次按 DS0 会多次的闪烁。