RTOS: взаимодействие между задачами

     Допустим вам требуется передать данные из одной задачи в другую, например одна задача опрашивает датчик а вторая отправляет эти значения по uart. Если вы ранее не работали с RTOS то первым делом в голову приходит способом обмена данными через глобальную переменную и если вы используете кооперативную многозадачность, (когда следующая задача выполняется после того, как текущая задача явно объявит что готова отдать ей процессорное время) это рабочий вариант. Но в случае когда вы работаете с вытесняющей многозадачностью при совместном доступе двух и более задач к одной переменной возможно нарушение атомарности.

     Нарушение атомарности происходит в случае когда первая задача записывает данные в переменную а вторая вытеснив первую тоже начинает записывать в нее данные. Что бы избежать подобного сценария существуют очереди.

     Очереди это объект ядра RTOS который лежит в основе различного рода взаимодействий задач друг с другом. Очереди используются для обмена данными как между задачами так и между прерываниями и задачами.

     Во время создания очереди первым аргументом указывается длинна очереди а вторым размер элемента хранящегося в очереди. Длинна очереди показывает сколько элементов она может в себе хранить.

     Обычно данные записываются в конец очереди (хвост) а считываются (с удалением или без) из ее начала (головы). Работа очереди схожа с FIFO буфером "первый вошел - первый вышел". Также можно записывать данные в начало очереди.

     В одну и туже очередь могут писать данные любое количество задач и также считывать эти данные. Обычная ситуация когда в одну очередь пишут данные несколько задач, однако редко бывает когда несколько задач читают данные из одной очереди.

     При попытке чтения из очереди, в задаче можно указать время блокировки (нахождение в состоянии wait). Это время в течении которого задача ожидает появления данных в очереди (если очередь пуста). Задача ожидающая появление данных в очереди, сразу переходит в состояние (redy - готова к запуску) из состояния (wait - заблокарована) когда другая задача или прерывание помещает данные в очередь. Также если данные в очереди так и не появились то после истечения времени блокировки задача также выходит из состояния (wait - заблокарована) и переходит в состояние (redy - готова к запуску).

     Если несколько читающих задач работают с одной очередью, то возможна ситуация когда более одной задачи находящихся в состоянии (wait - заблокарована) ожидают появления данных. В этом случае будет разблокированна при поступлении данных только одна задача. Эта разблокированая задача будет иметь самый высокий приоритет из всех ожидающих данные задач. Если задачи находящиеся в состоянии (wait - заблокарована) ожидающие данные имеют одинаковый приоритет, то будет разблокирована та задача, которая дольше всех ждет данные.

     При попытке записи в очередь, в задаче можно указать время блокировки (нахождение в состоянии wait). Если очередь заполнена то задача будет ожидать появления свободного места в очереди пока это время не истечет.

     Если несколько записывающих задач работают с одной очередью, то возможна ситуация когда более одной задачи находящихся в состоянии (wait - заблокарована) ожидают появления свободного места в очереди. В этом случае будет разблокированна при освобождении места в очереди только одна задача. Эта разблокированая задача будет иметь самый высокий приоритет из всех ожидающих данные задач. Если задачи находящиеся в состоянии (wait - заблокарована) ожидающие свободное место в очереди имеют одинаковый приоритет, то будет разблокирована та задача, которая дольше всех находится в состоянии (wait - заблокарована).

     Дескрипторы очереди присваиваются переменным типа (xQueueHandle) QueueHandle_t.

     Функции для работы с очередями определены в файле "queue.h".

     xQueueCreate(uxQueueLength, uxItemSize) - uxQueueLength количество элементов очереди, uxItemSize размер элементов. Возвращает дескриптор очереди xQueueHandle.

     xQueueSend(xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait) - xQueue дескриптор очереди, pvItemToQueue указатель на данные, которые копируются в очередь, xTicksToWait максимальное количество времени, в течение которого задача должна оставаться в состоянии (wait - заблокирована) в ожидании.

     xQueueReceive(xQueue, pvBuffer, xTicksToWait) - xQueue дескриптор очереди, pvBuffer указатель на память, куда будут копироваться принятые из очереди данные, xTicksToWait максимальное количество времени, в течение которого задача должна оставаться в состоянии (wait - заблокирована) пока не появится в очереди доступный для чтения элемент данных.

     Давайте закомментируем 2-ю задачу для работы с uart перепишем код задачи для опроса кнопки и код 1-й задачи для работы с uart оба листинга ниже.

     Реализация задачи для работы с кнопкой

/* USER CODE END Header_StartTask01 */
void StartTask01(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN 5 */
	uint8_t text[13] = "Queue message";
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
      if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_SET) { // Опрашиваем кнопку

	 for (int i = 0; i < 13; i++) {

	     xQueueSend(send_data, &text[i], 0); // Передаем данные в очередь
	 }
      }

    osDelay(1000);
  }
  /* USER CODE END 5 */ 
}

     Реализация задачи 1 для работы с uart

/* USER CODE END Header_StartTask02 */
void StartTask02(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask02 */
	uint8_t text[13];
    /* Infinite loop */
    for (;;) {

    	memset(text, 120, 13); // Заполняем массив символом x - код которого 120 по таблице ASCII

    	for (int i = 0; i < 13; i++) {

    	    xQueueReceive(send_data, &text[i], 0); // Считываем данные из очереди
    	}

        HAL_UART_Transmit(&huart1, text, sizeof(text) - 1, 0xFFFF); // Отправляем сообщение
        HAL_UART_Transmit(&huart1, "\r\n", 2, 0xFFFF); // Отправляем сообщение
    	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_6);

    	osDelay(1000);
    }

  /* USER CODE END StartTask02 */
}

     На рисунке 1 показан результат работы программы.

Рисунок 1

     Ниже приведен полный листинг программы:

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * <h2><center>&copy; Copyright (c) 2019 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.</center></h2>
  *
  * This software component is licensed by ST under Ultimate Liberty license
  * SLA0044, the "License"; You may not use this file except in compliance with
  * the License. You may obtain a copy of the License at:
  *                             www.st.com/SLA0044
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "semphr.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
UART_HandleTypeDef huart1;

osThreadId button_taskHandle;
osThreadId uart_task_1Handle;
osThreadId uart_task_2Handle;
/* USER CODE BEGIN PV */
volatile xSemaphoreHandle mutex; // Дескриптор мьютекса
xSemaphoreHandle binary_semaphore_1; // Дескриптор бинарного семафора 1
xSemaphoreHandle binary_semaphore_2; // Дескриптор бинарного семафора 2
xSemaphoreHandle counter_semaphore; // Дескриптор счетного семафора
volatile uint8_t counter = 48; // Счетчик для индикации значений счетного семафора  // По талице ASCII = 0
xQueueHandle send_data; // Дескриптор очереди
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
void StartTask01(void const * argument);
void StartTask02(void const * argument);
void StartTask03(void const * argument);

/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* USER CODE BEGIN RTOS_MUTEX */
  /* add mutexes, ... */
  mutex = xSemaphoreCreateMutex(); // Создаем мьютекс
  vSemaphoreCreateBinary(binary_semaphore_1); // Создать бинарный семафор для задачи 1 для работы с uart
  vSemaphoreCreateBinary(binary_semaphore_2); // Создать бинарный семафор для задачи 2 для работы с uart
  counter_semaphore = xSemaphoreCreateCounting(9, 0); // Создать счетный семафор с диапазоном 0 - 9
  send_data = xQueueCreate(13, sizeof(uint8_t)); // Создаем очередь на 13 элементов размером по 1- му байту
  /* USER CODE END RTOS_MUTEX */

  /* USER CODE BEGIN RTOS_SEMAPHORES */
  /* add semaphores, ... */
  /* USER CODE END RTOS_SEMAPHORES */

  /* USER CODE BEGIN RTOS_TIMERS */
  /* start timers, add new ones, ... */
  /* USER CODE END RTOS_TIMERS */

  /* USER CODE BEGIN RTOS_QUEUES */
  /* add queues, ... */
  /* USER CODE END RTOS_QUEUES */

  /* Create the thread(s) */
  /* definition and creation of button_task */
  osThreadDef(button_task, StartTask01, osPriorityIdle, 0, 128);
  button_taskHandle = osThreadCreate(osThread(button_task), NULL);

  /* definition and creation of uart_task_1 */
  osThreadDef(uart_task_1, StartTask02, osPriorityAboveNormal, 0, 128);
  uart_task_1Handle = osThreadCreate(osThread(uart_task_1), NULL);

  /* definition and creation of uart_task_2 */
  //osThreadDef(uart_task_2, StartTask03, osPriorityNormal, 0, 128);
  //uart_task_2Handle = osThreadCreate(osThread(uart_task_2), NULL);

  /* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS */
  /* add threads, ... */
  /* USER CODE END RTOS_THREADS */

  /* Start scheduler */
  osKernelStart();
  
  /* We should never get here as control is now taken by the scheduler */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSE;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_USART1;
  PeriphClkInit.Usart1ClockSelection = RCC_USART1CLKSOURCE_PCLK2;
  if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/**
  * @brief USART1 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_USART1_UART_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 0 */

  /* USER CODE END USART1_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 1 */

  /* USER CODE END USART1_Init 1 */
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  huart1.Init.OneBitSampling = UART_ONE_BIT_SAMPLE_DISABLE;
  huart1.AdvancedInit.AdvFeatureInit = UART_ADVFEATURE_NO_INIT;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 2 */

  /* USER CODE END USART1_Init 2 */

}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : PC0 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pins : PC6 PC7 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/* USER CODE BEGIN Header_StartTask01 */
/**
  * @brief  Function implementing the button_task thread.
  * @param  argument: Not used 
  * @retval None
  */
/* USER CODE END Header_StartTask01 */
void StartTask01(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN 5 */
	uint8_t text[13] = "Queue message";
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
     if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_SET) { // Опрашиваем кнопку

	for (int i = 0; i < 13; i++) {

	    xQueueSend(send_data, &text[i], 0); // Передаем данные в очередь
	}
     }

    osDelay(1000);
  }
  /* USER CODE END 5 */ 
}

/* USER CODE BEGIN Header_StartTask02 */
/**
* @brief Function implementing the uart_task_1 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_StartTask02 */
void StartTask02(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask02 */
	uint8_t text[13];
    /* Infinite loop */
    for (;;) {

    	memset(text, 120, 13); // Заполняем массив символом x - код которого 120 по таблице ASCII

    	for (int i = 0; i < 13; i++){

    		xQueueReceive(send_data, &text[i], 0); // Считываем данные из очереди
    	}

        HAL_UART_Transmit(&huart1, text, sizeof(text) - 1, 0xFFFF); // Отправляем сообщение
        HAL_UART_Transmit(&huart1, "\r\n", 2, 0xFFFF); // Отправляем сообщение
    	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_6);

    	osDelay(1000);
    }

  /* USER CODE END StartTask02 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_StartTask03 */
/**
* @brief Function implementing the uart_task_2 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_StartTask03 */
void StartTask03(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask03 */
	const uint8_t text[] = "T2 HELLO\r\n";
    /* Infinite loop */
    for (;;) {

    	HAL_UART_Transmit(&huart1, text, sizeof(text) - 1, 0xFFFF); // Отправляем сообщение
    	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_7);

    	osDelay(200);
    }
  /* USER CODE END StartTask03 */
}

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */

  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(char *file, uint32_t line)
{ 
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

Комментариев (0)

Написать комментарий

Имя *
E-mail
Введите комментарий *
Капча
22 + ? = 26