liteos訊號量（八）

yooooooo發表於2019-05-30

1. 概述

1.1 基本概念

訊號量（Semaphore）是一種實現任務間通訊的機制，實現任務之間同步或臨界資源的互斥訪問。常用於協助一組相互競爭的任務來訪問臨界資源。

在多工系統中，各任務之間需要同步或互斥實現臨界資源的保護，訊號量功能可以為使用者提供這方面的支援。

通常一個訊號量的計數值用於對應有效的資源數，表示剩下的可被佔用的互斥資源數。其值的含義分兩種情況：

  • 0，表示沒有積累下來的Post操作，且有可能有在此訊號量上阻塞的任務。
  • 正值，表示有一個或多個Post下來的釋放操作。

以同步為目的的訊號量和以互斥為目的的訊號量在使用有如下不同：

  • 用作互斥時，訊號量建立後記數是滿的，在需要使用臨界資源時，先取訊號量，使其變空，這樣其他任務需要使用臨界資源時就會因為無法取到訊號量而阻塞，從而保證了臨界資源的安全。
  • 用作同步時，訊號量在建立後被置為空，任務1取訊號量而阻塞，任務2在某種條件發生後，釋放訊號量，於是任務1得以進入READY或RUNNING態，從而達到了兩個任務間的同步。

1.2 運作機制

1.2.1 訊號量控制塊

/**
* @ingroup los_sem
* Semaphore control structure.
*/
typedef struct
{
    UINT8 usSemStat; /**是否使用標誌位*/
    UINT16 uwSemCount; /**訊號量索引號*/
    UINT32 usSemID; /**訊號量計數*/
    LOS_DL_LIST stSemList; /**掛接阻塞於該訊號量的任務*/
}SEM_CB_S;

1.2.2 訊號量運作原理

訊號量初始化，為配置的N個訊號量申請記憶體（N值可以由使用者自行配置，受記憶體限制，詳見第十章 配置參考），並把所有的訊號量初始化成未使用，並加入到未使用連結串列中供系統使用。

訊號量建立，從未使用的訊號量連結串列中獲取一個訊號量資源，並設定初值。

訊號量申請，若其計數器值大於0，則直接減1返回成功。否則任務阻塞，等待其它任務釋放該訊號量，等待的超時時間可設定。當任務被一個訊號量阻塞時，將該任務掛到訊號量等待任務佇列的隊尾。

訊號量釋放，若沒有任務等待該訊號量，則直接將計數器加1返回。否則喚醒該訊號量等待任務佇列上的第一個任務。

訊號量刪除，將正在使用的訊號量置為未使用訊號量，並掛回到未使用連結串列。

訊號量允許多個任務在同一時刻訪問同一資源，但會限制同一時刻訪問此資源的最大任務數目。訪問同一資源的任務數達到該資源的最大數量時，會阻塞其他試圖獲取該資源的任務，直到有任務釋放該訊號量。

2. 開發指導

2.1 使用場景

訊號量是一種非常靈活的同步方式，可以運用在多種場合中，實現鎖、同步、資源計數等功能，也能方便的用於任務與任務，中斷與任務的同步中。

2.2 功能

Huawei LiteOS 系統中的訊號量模組為使用者提供下面幾種功能。

功能分類 介面名 描述
訊號量的建立和刪除 LOS_SemCreate 建立訊號量
- LOS_SemDelete 刪除指定的訊號量
訊號量的申請和釋放 LOS_SemPend 申請指定的訊號量
- LOS_SemPost 釋放指定的訊號量

2.3 開發流程

訊號量的開發典型流程：

  1. 建立訊號量LOS_SemCreate。
  2. 申請訊號量LOS_SemPend。
    訊號量有三種申請模式：無阻塞模式、永久阻塞模式、定時阻塞模式
  • 無阻塞模式：任務需要申請訊號量，若當前訊號量的任務數沒有到訊號量設定的上限，則申請成功。否則，立即返回申請失敗
  • 永久阻塞模式：任務需要申請訊號量，若當前訊號量的任務數沒有到訊號量設定的上限，則申請成功。否則，該任務進入阻塞態，系統切換到就緒任務中優先順序最高者繼續執行。任務進入阻塞態後，直到有其他任務釋放該訊號量，阻塞任務才會重新得以執行
  • 定時阻塞模式：任務需要申請訊號量，若當前訊號量的任務數沒有到訊號量設定的上限，則申請成功。否則，該任務進入阻塞態，系統切換到就緒任務中優先順序最高者繼續執行。任務進入阻塞態後，指定時間超時前有其他任務釋放該訊號量，或者使用者指定時間超時後，阻塞任務才會重新得以執行
  1. 釋放訊號量LOS_SemPost。
  • 如果有任務阻塞於指定訊號量，則喚醒該訊號量阻塞佇列上的第一個任務。該任務進入就緒態，並進行排程
  • 如果沒有任務阻塞於指定訊號量，釋放訊號量成功
  1. 刪除訊號量LOS_SemDelet

2.4 訊號量錯誤碼

對可能導致訊號量操作失敗的情況，包括建立訊號量、申請訊號量、釋放訊號量、刪除訊號量等，均需要返回對應的錯誤碼，以便快速定位錯誤原因。

序 號 定義 實際數值 描述 參考解決方案
1 LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY 0x02000700 記憶體空間不足 分配更大的記憶體分割槽
2 LOS_ERRNO_SEM_INVALID 0x02000701 非法傳參 改變傳數為合法值
3 LOS_ERRNO_SEM_PTR_NULL 0x02000702 傳入空指標 傳入合法指標
4 LOS_ERRNO_SEM_ALL_BUSY 0x02000703 訊號量控制塊不可用 釋放資源訊號量資源
5 LOS_ERRNO_SEM_UNAVAILABLE 0x02000704 定時時間非法 傳入正確的定時時間
6 LOS_ERRNO_SEM_PEND_INTERR 0x02000705 中斷期間非法呼叫LOS_SemPend 中斷期間禁止呼叫LOS_SemPend
7 LOS_ERRNO_SEM_PEND_IN_LOCK 0x02000706 任務被鎖，無法獲得訊號量 在任務被鎖時，不能呼叫LOS_SemPend
8 LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT 0x02000707 獲取訊號量時間超時 將時間設定在合理範圍內

錯誤碼定義：錯誤碼是一個32位的儲存單元， 31~24位表示錯誤等級， 23~16位表示錯誤碼標誌， 15~8位代表錯誤碼所屬模組， 7~0位表示錯誤碼序號，如下

#define LOS_ERRNO_OS_NORMAL(MID,ERRNO) \
(LOS_ERRTYPE_NORMAL | LOS_ERRNO_OS_ID | ((UINT32)(MID) << 8) | (ERRNO))
LOS_ERRTYPE_NORMAL ：Define the error level as critical
LOS_ERRNO_OS_ID ：OS error code flag.
MID：OS_MOUDLE_ID
ERRNO：error ID number

例如：

LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY LOS_ERRNO_OS_ERROR(LOS_MOD_SEM, 0x00))

2.5 平臺差異性

2.6 注意事項

  • 由於中斷不能被阻塞，因此在申請訊號量時，阻塞模式不能在中斷中使用。

3. 程式設計例項

3.1 例項描述

本例項實現如下功能;

  1. 測試任務Example_TaskEntry建立一個訊號量，鎖任務排程，建立兩個任務Example_SemTask1、 Example_SemTask2,Example_SemTask2優先順序高於Example_SemTask1，兩個任務中申請同一訊號量，解鎖任務排程後兩任務阻塞，測試任務Example_TaskEntry釋放訊號量。
  2. Example_SemTask2得到訊號量，被排程，然後任務休眠20Tick，Example_SemTask2延遲， Example_SemTask1被喚醒。
  3. Example_SemTask1定時阻塞模式申請訊號量，等待時間為10Tick，因訊號量仍被Example_SemTask2持有， Example_SemTask1掛起， 10Tick後仍未得到訊號量，Example_SemTask1被喚醒，試圖以永久阻塞模式申請訊號量， Example_SemTask1掛起。
  4. 20Tick後Example_SemTask2喚醒， 釋放訊號量後， Example_SemTask1得到訊號量被排程執行，最後釋放訊號量。
  5. Example_SemTask1執行完， 40Tick後任務Example_TaskEntry被喚醒，執行刪除訊號量，刪除兩個任務。

3.2 程式設計示例

前提條件：

  • 在los_config.h中，將LOSCFG_BASE_IPC_SEM配置為YES。
  • 配置使用者定義的LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT最大的訊號量數，如1024。

程式碼實現如下

#include "los_sem.h"
/*任務PID*/
static UINT32 g_TestTaskID01,g_TestTaskID02;
/*測試任務優先順序*/
#define TASK_PRIO_TEST 5
/*訊號量結構體ID*/
static SEM_HANDLE_T g_usSemID;
VOID Example_SemTask1(void)
{
    UINT32 uwRet;
    printf("Example_SemTask1 try get sem g_usSemID ,timeout 10 ticks.\n");
    /*定時阻塞模式申請訊號量，定時時間為10Tick*/
    uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, 10);
    /*申請到訊號量*/
    if(LOS_OK == uwRet)
    {
        LOS_SemPost(g_usSemID);
        return;
    }
    /*定時時間到，未申請到訊號量*/
    if(LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT == uwRet)
    {
        printf("Example_SemTask1 timeout and try get sem g_usSemID wait forever.\n");
        /*永久阻塞模式申請訊號量*/
        uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER);
        printf("Example_SemTask1 wait_forever and get sem g_usSemID .\n");
        if(LOS_OK == uwRet)
        {
            LOS_SemPost(g_usSemID);
            return;
        }
    }
    return;
}
VOID Example_SemTask2(void)
{
    UINT32 uwRet;
    printf("Example_SemTask2 try get sem g_usSemID wait forever.\n");
    /*永久阻塞模式申請訊號量*/
    uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER);
    if(LOS_OK == uwRet)
        printf("Example_SemTask2 get sem g_usSemID and then delay 20ticks .\n");
        /*任務休眠20 Tick*/
        LOS_TaskDelay(20);
        printf("Example_SemTask2 post sem g_usSemID .\n");
        /*釋放訊號量*/
        LOS_SemPost(g_usSemID);
        return;
}
UINT32 Example_TaskEntry()
{
    UINT32 uwRet;
    TSK_INIT_PARAM_S stTask1;
    TSK_INIT_PARAM_S stTask2;
    /*建立訊號量*/
    LOS_SemCreate(0,&g_usSemID);
    /*鎖任務排程*/
    LOS_TaskLock();
    /*建立任務1*/
    memset(&stTask1, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
    stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask1;
    stTask1.pcName = "MutexTsk1";
    stTask1.uwStackSize = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    stTask1.usTaskPrio = TASK_PRIO_TEST;
    uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID01, &stTask1);
    if(uwRet != LOS_OK)
    {
        printf("task1 create failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }
    /*建立任務2*/
    memset(&stTask2, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
    stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask2;
    stTask2.pcName = "MutexTsk2";
    stTask2.uwStackSize = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    stTask2.usTaskPrio = (TASK_PRIO_TEST - 1);
    uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID02, &stTask2);
    if(uwRet != LOS_OK)
    {
        printf("task2 create failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }
    /*解鎖任務排程*/
    LOS_TaskUnlock();
    uwRet = LOS_SemPost(g_usSemID);
    /*任務休眠40 Tick*/
    LOS_TaskDelay(40);
    /*刪除訊號量*/
    LOS_SemDelete(g_usSemID);
    /*刪除任務1*/
    uwRet = LOS_TaskDelete(g_TestTaskID01);
    if(uwRet != LOS_OK)
    {
        printf("task1 delete failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }
    /*刪除任務2*/
    uwRet = LOS_TaskDelete(g_TestTaskID02);
    if(uwRet != LOS_OK)
    {
        printf("task2 delete failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }
    return LOS_OK;
}

3.3 結果驗證

編譯執行得到的結果為：

Example_SemTask2 try get sem g_usSemID wait forever.
Example_SemTask1 try get sem g_usSemID ,timeout 10 ticks.
Example_SemTask2 get sem g_usSemID and then delay 20ticks .
Example_SemTask1 timeout and try get sem g_usSemID wait forever.
Example_SemTask2 post sem g_usSemID .
Example_SemTask1 wait_forever and get sem g_usSemID

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