STM32第二十课：FreeRTOS任务管理和信号量

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一、任务管理方式

1.任务创建成功后会添加到就绪链表中，开启调度器，此时任务调度器会去就绪链表中找优先级最高的任务执行。若优先级一样则按照创建任务的先后来执行。
2.任务被执行时就会变为运行态时，该任务就会从就绪链表删除，若此时执行到任务中的vTaskDelay等函数时，该任务就会被挪到阻塞链表中。调度器此时会去执行其他任务。
3.当阻塞解除时，该任务会从阻塞链表中删掉，移动到就绪链表中。若解除任务的优先级很高，那么此时该任务会直接打断cpu正在执行的任务，抢占位置去执行自己。

二、任务堆栈溢出检测

详情见FreeRTOS中的任务堆栈溢出检测机制
主要作用就是方便调试，工程做完之后没问题了就关掉
写检测函数之前需要更改宏定义，我们采用的是第二种堆栈检测方法。

void vApplicationStackOverflowHook( TaskHandle_t xTask,char *pcTaskName )
{
	printf("任务：%s->栈溢出\r\n",pcTaskName);
	printf("任务剩余空间：%d\r\n",(int)uxTaskGetStackHighWaterMark(xTask));
	while(1)//栈溢出时卡死到钩子函数中
	{}
}

本质上就是一个钩子函数，在任务上下文切换的时候做检测，具有一定的滞后性，需要在任务发生上下文切换时才会进行，任务堆栈溢出时并不能马上检测到问题。
但大多常见情况下这种检测机制依然是非常实用的功能，可以帮助用户减少代码中的错误并提高应用程序代码的质量。

三、二值信号量（任务同步）

任务同步：任务B需要等待任务A执行完再去执行。
二值信号量也一样，谁拥有谁执行，比如任务B需要获得信号量才能执行，那么他就要等待A给他一个信号量然后再去执行。

1.添加头文件

#include "semphr.h"

2.创建一个SemaphoreHandle_t 类型的二值信号量句柄

SemaphoreHandle_t Binary;

3.主函数创建二值信号量，返回值为该信号量的句柄

	//创建一个二值信号量
	Binary = xSemaphoreCreateBinary();

4.使用函数xSemaphoreGive给出二值信号量，参数为二值信号量的句柄

xSemaphoreGive(Binary)

5.使用xSemaphoreTake函数接收二值信号量，参数为句柄和超时时间（也可填写portMAX_DELAY，表示死等）
若返回值为pdTRUE，则表示获取到该信号量。

if(xSemaphoreTake(Binary,1000) == pdTRUE) 
		{
			printf("按键按下，获取到信号量\r\n");
		}

完整代码：

//包含支持stm32f1系列的头文件
#include  "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "key.h"
#include "adc.h"
#include "kqm.h"
#include "dht11.h"

//使用FreeRTOS相关头文件之前先包含FreeRTOS.h
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
/********************信号量句柄***********************/
SemaphoreHandle_t Binary;

//传感器任务
TaskHandle_t Sensor_TaskHandle;
void Sensor_Task(void *p)
{
	
	while(1)
	{
		taskENTER_CRITICAL();//进入临界区
		Dht11ReadData();//DHT11读取函数不能被打断
		taskEXIT_CRITICAL();//退出临界区
		KQMDealData();//该函数的调用时间小于等于1秒
		ADC_DataFliter();//ADC均值滤波
		vTaskDelay(1000);//阻塞1秒
	}
}

//任务本体 闪灯任务
TaskHandle_t LED_TaskHandle;
void LED_Task(void *p)
{
	uint8_t i=0;
	while(1)
	{
		if(xSemaphoreTake(Binary,1000) == pdTRUE) 
		{
			printf("按键按下，获取到信号量\r\n");
		}else
		{
			printf("获取到信号量等待超时\r\n");
		}
		i++;
		printf("i=%d\r\n",i);
		Led_Toggle(1);
		//printf("LED任务剩余空间：%d\r\n",(int)uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL));
//		Delay_nms(200);//也能延时，但是会一直占用CPU
		//也是延时200ms，但是FreeRTOS提供的函数，有阻塞机制，能够让任务从运行态变为阻塞态
		vTaskDelay(200);
	}
}
//任务本体 按键任务
TaskHandle_t KEY_TaskHandle;
void KEY_Task(void *p)
{
	while(1)
	{
		switch(key_getvalue())
		{
			case 1:vTaskSuspend(LED_TaskHandle);break;
			case 2:vTaskResume(LED_TaskHandle);break;
			case 3:xSemaphoreGive(Binary);break;
			case 4:break;
		}
		vTaskDelay(10);//MS级别的延时，带有阻塞性质，任务会从运行态变为阻塞态
	}
}	

int main()
{
	Led_Init();//初始化LED
	Key_init();//初始化按键
	Usart1_Config();//初始化串口1
	ADC_Config();//初始化ADC
	Kqm_U4Config();//初始化KQM
	DHT11_Mode();//初始化DHT11
	BaseType_t Ret = pdPASS;
	//创建一个二值信号量
	Binary = xSemaphoreCreateBinary();
	//1,如何创建一个任务？
	Ret = xTaskCreate(Sensor_Task,"Sensor_Task",200,NULL,1,&Sensor_TaskHandle);
	Ret = xTaskCreate(LED_Task, //创建任务的任务函数名
                    "LED1_Toggle",//任务名字
                    100,//任务栈深度。32位单片机*4
                    NULL,//创建任务时传递参数,没有就给NULL
                    3,//任务优先级
										&LED_TaskHandle);//任务的句柄，用于后边删除，挂起任务
	if(Ret == pdPASS){
		printf("LED_Task创建完成\r\n");
	}
	Ret = xTaskCreate(KEY_Task, //创建任务的任务函数名
                    "KEY_Task",//任务名字
                    100,//任务栈深度。32位单片机*4
                    NULL,//创建任务时传递参数,没有就给NULL
                    2,//任务优先级
										&KEY_TaskHandle);//任务的句柄，用于后边删除，挂起任务
	if(Ret == pdPASS){
		printf("KEY_Task创建完成\r\n");
	}
	printf("开启FreeRTOS调度器\r\n");
	//调度器启动完成之后，FreeRTOS会获取CPU控制权，会按照任务优先级执行创建的任务
	vTaskStartScheduler();
				
	while(1)
	{	
	}
}

void vApplicationStackOverflowHook( TaskHandle_t xTask,char *pcTaskName )
{
	printf("任务：%s->栈溢出\r\n",pcTaskName);
	printf("任务剩余空间：%d\r\n",(int)uxTaskGetStackHighWaterMark(xTask));
	while(1)//栈溢出时卡死到钩子函数中
	{}
}

四、计数信号量

一般在资源有限的情况下使用，如：停车场，坐位，传感器的访问等。
计数信号量测试：按键和灯，按键按下几次，灯翻转几次。
1.创建计数信号量的句柄

SemaphoreHandle_t Count_Handle;//计数信号量句柄

2.创建计数信号量
返回值为该信号量的句柄，参数为最大信号量为多少和初始信号量有几个。

Count_Handle = xSemaphoreCreateCounting(10,5);//创建计数信号量

3.给出信号量
参数为计数信号量的句柄

xSemaphoreGive(Count_Handle);

4.消耗信号量
参数和二值信号量一样，一个是对应的句柄，一个是超时。
成功返回pdTRUE。

if(xSemaphoreTake(Count_Handle,portMAX_DELAY) == pdTRUE) 

完整代码：

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "delay.h"
#include "string.h"
#include "pwm.h"
#include "adc.h"
#include "su03t.h"
#include "dht11.h"
#include "kqm.h"
#include "usart.h"
#include "key.h"

//使用FreeRtos相关头文件之前，一定要先包含这个#include "FreeRtos.h"
#include "FreeRtos.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
#include "queue.h"

TaskHandle_t Deal_TaskHandle;//数据处理
SemaphoreHandle_t Binary;//二值信号量句柄
SemaphoreHandle_t Count_Handle;//计数信号量句柄
TaskHandle_t LED_TaskHandle;//任务本体 闪灯任务
TaskHandle_t KEY_TaskHandle;//任务本体 按键任务
void Data_Task(void *p)
{
	while(1)
	{
	Get_Smoke_Light_MidValue();
	DHT11_ReadData();
	vTaskDelay(300);
	KQM_DealData();
	Su03tDealData();
	}
}

void KEY_Task(void *p)
{
	while(1)
	{
		switch(key_getvalue())
		{
			case 1:vTaskSuspend(LED_TaskHandle);break;
			case 2:vTaskResume(LED_TaskHandle);break;
			case 3:xSemaphoreGive(Count_Handle);printf("给一个计数信号量\r\n");break;
			case 4:break;
		}
		vTaskDelay(10);//MS级别的延时，带有阻塞性质，任务会从运行态变为阻塞态
	}
}	
void LED_Task(void *p)
{
	uint8_t i=0;
	while(1)
	{
		if(xSemaphoreTake(Count_Handle,portMAX_DELAY) == pdTRUE) 
		{
			printf("消耗计数信号量\r\n");
			i++;
			printf("i=%d\r\n",i);
			Led_Toggle(1);
			vTaskDelay(1000);
		}
	}
}



int main()
{
	RGBpwm_Config();
  Kqm_U4Config();
  Su03t_U5Config();
	DHT11_Config();	 
	Adc_Config();
	Led_Init();
	key_Init();
	Usart1_Config();
	BaseType_t Ret = pdPASS;
//	Ret = xTaskCreate(Data_Task,"DealData",300,NULL,2,&Deal_TaskHandle);
//	if(Ret==pdPASS)
//	{
//		printf("数据创建成功！\r\n");
//	}
	Binary = xSemaphoreCreateBinary();
	//计数信号量最大值   初始时有多少个信号量可用
	Count_Handle = xSemaphoreCreateCounting(10,5);//创建计数信号量
		Ret = xTaskCreate(LED_Task, //创建任务的任务函数名
                    "LED1_Toggle",//任务名字
                    100,//任务栈深度。32位单片机*4
                    NULL,//创建任务时传递参数,没有就给NULL
                    3,//任务优先级
										&LED_TaskHandle);//任务的句柄，用于后边删除，挂起任务
	if(Ret == pdPASS){
		printf("LED_Task创建完成\r\n");
	}
	Ret = xTaskCreate(KEY_Task, //创建任务的任务函数名
                    "KEY_Task",//任务名字
                    100,//任务栈深度。32位单片机*4
                    NULL,//创建任务时传递参数,没有就给NULL
                    2,//任务优先级
										&KEY_TaskHandle);//任务的句柄，用于后边删除，挂起任务
	if(Ret == pdPASS){
	printf("KEY_Task创建完成\r\n");
	}
	printf("开启FreeRTOS调度器成功\r\n");
	vTaskStartScheduler();
	while(1)
	{
		
	}
}

void vApplicationStackOverflowHook( TaskHandle_t xTask,char *pcTaskName )
{
	printf("任务：%s->栈溢出\r\n",pcTaskName);
	printf("任务剩余空间：%d\r\n",(int)uxTaskGetStackHighWaterMark(xTask));
	while(1)//栈溢出时卡死到钩子函数中
	{}
}

五、互斥信号量

用于共享资源的保护
资源A是共享资源，此时如果被任务1使用，那么就不能被其他任务使用。
（任务1：小A，你让我使用了，可就不能让别人使用了哦 ~）
1.创建句柄

SemaphoreHandle_t Mutex_Handle=NULL;

2.创建互斥信号量
返回值为互斥信号量的句柄

Mutex_Handle = xSemaphoreCreateMutex();//创建互斥信号量

3.获取信号，给出信号
保护printf，使printf能够完整打印。

void MyPrintf(char *p)
{
	xSemaphoreTake(Mutex_Handle,portMAX_DELAY);//获取信号量
	printf("%s",p);
	xSemaphoreGive(Mutex_Handle);//还回去
}

完整代码：

#include "delay.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
#include "usart.h"
#include "stdio.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "dht.h"
#include "adc.h"
#include "kqm.h"

/*******************信号量句柄*********************/
SemaphoreHandle_t Binary_Handle=NULL;
SemaphoreHandle_t Count_Handle=NULL;
SemaphoreHandle_t Mutex_Handle=NULL;
/*******************互斥信号量保护资源*********************/
void MyPrintf(char *p)
{
	xSemaphoreTake(Mutex_Handle,portMAX_DELAY);//获取信号量
	printf("%s",p);
	xSemaphoreGive(Mutex_Handle);//还回去
}

/*******************LED任务*********************/
TaskHandle_t LEDtask_Handle = NULL;
//任务函数本身
void LED_Task(void * p)
{
	MyPrintf("LED任务创建成功\r\n");
	LED_Config();
	BEEP_Config();
	while(1)
	{	
		if(xSemaphoreTake(Count_Handle,portMAX_DELAY) == pdTRUE)
		{
			MyPrintf("LED反转\r\n");
			LED1_Toggle();
		}else
		{
			MyPrintf("超时结束\r\n");
		}
		vTaskDelay(500);//控制任务的执行周期
	}
}
/*******************按键任务*********************/
TaskHandle_t KEYtask_Handle = NULL;
//任务函数本身
void KEY_Task(void * p)
{
	MyPrintf("按键任务创建成功\r\n");
	KEY_Config();
	while(1)
	{	
		switch(KEY_Scan())
		{
			case 1:BEEP_Toggle(); break;
			case 2:
//				xSemaphoreGive(Binary_Handle);//给出二值信号量
				if(xSemaphoreGive(Count_Handle) == pdTRUE)//给出计数信号量
				{
					MyPrintf("成功给出计数信号量\r\n");
				}else
				{
					MyPrintf("信号量已满\r\n");
				}
				break;
			case 3: break;
			case 4:vTaskDelete(LEDtask_Handle);break;
		}
		vTaskDelay(10);
	}
}
/*******************传感器任务*********************/
TaskHandle_t Senortask_Handle = NULL;
//任务函数本身
void Senor_Task(void * p)
{
	MyPrintf("传感器任务创建成功\r\n");
	uint8_t cnt = 0;
	ADC_Config();//初始化ADC
	UART4_Config();//初始化KQM传感器
	while(1)
	{	
		cnt++;
		if(KQM_Anlyze() == 0)
		{
			printf("CO2:%d\r\n",kqmdata.CO2);
		}else
		{
			MyPrintf("KQM数据错误\r\n");
		}
		if(cnt>=3)
		{
			cnt = 0;
			taskENTER_CRITICAL();//进入临界区
			if(DHT11_ReadData()== 0)
			{
				printf("温度数据：%.2f 湿度数据：%d\r\n",TEM,HUM);
			}else
			{
				MyPrintf("温湿度数据获取失败\r\n");
			}
			taskEXIT_CRITICAL();//退出临界区			
		}
		vTaskDelay(1000);
	}
}
int main(void)
{
	USART_Config();
	BaseType_t Ret = pdPASS;
	Binary_Handle = xSemaphoreCreateBinary();//创建二值信号量
	//                       计数信号量最大值   初始时有多少个信号量可用
	Count_Handle = xSemaphoreCreateCounting(10,5);//创建计数信号量
	Mutex_Handle = xSemaphoreCreateMutex();//创建互斥信号量
	//动态创建任务
	Ret =  xTaskCreate(LED_Task,//任务函数的入口，也就是函数名
                     "LED_Task",//任务别名，方便FreeRTOS管理
                     100,//任务分配的堆栈空间 32单片机就是50*4 = 200字节
                     NULL,//任务函数的参数，无参数就写NULL
                     1,//任务优先级
                     &LEDtask_Handle);//任务的句柄（指针）,可以用来管理任务
	if(Ret == pdPASS)
	{
		printf("LED任务创建成功\r\n");
	}
	//动态创建任务
	Ret =  xTaskCreate(KEY_Task,//任务函数的入口，也就是函数名
                     "KEY_Task",//任务别名，方便FreeRTOS管理
											100,//任务分配的堆栈空间 32单片机就是50*4 = 200字节
                     NULL,//任务函数的参数，无参数就写NULL
                     1,//任务优先级
                     &KEYtask_Handle);//任务的句柄（指针）,可以用来管理任务
	if(Ret == pdPASS)
	{
		printf("按键任务创建成功\r\n");
	}
	Ret =  xTaskCreate(Senor_Task,//任务函数的入口，也就是函数名
                     "Senor_Task",//任务别名，方便FreeRTOS管理
                     100,//任务分配的堆栈空间 32单片机就是50*4 = 200字节
                     NULL,//任务函数的参数，无参数就写NULL
                     2,//任务优先级
                     &Senortask_Handle);//任务的句柄（指针）,可以用来管理任务
	if(Ret == pdPASS)
	{
		printf("传感器任务创建成功\r\n");
	}
	vTaskStartScheduler();//启动调度器
	printf("调度器启动失败\r\n");
  while (1)
  {

	}
}

//函 数 功 能：任务栈溢出钩子函数，调试阶段用
void vApplicationStackOverflowHook(TaskHandle_t xTask,signed char *pcTaskName)
{
	printf("任务：#%s #栈溢出\r\n",pcTaskName);
	printf("任务栈空间剩余：%d\r\n",uxTaskGetStackHighWaterMark(xTask));
	while(1)
	{
	}
}

六、队列

  主要用于任务间数据传输，采用FIFO（先进先出）模式，新数据通常发到队列后面，但也可以发到队列前面。
1.创建句柄

QueueHandle_t Queue;

2.创建队列

//创建队列 长度为10 ，队列中每个数据的大小2字节
	Queue = xQueueCreate(10,2);

3.接收数据
参数1：要发送数据的目标队列的句柄。
参数2：指向要发送数据的指针。
参数3：发送数据时等待的最长时间
返回值：
pdPASS：数据成功发送到队列。
errQUEUE_FULL：队列已满，无法发送数据。

if(xQueueReceive(Queue,buff2,100)==pdTRUE)

4.发送数据

if(xQueueSend(Queue,buff,100) == pdTRUE)

完整代码：

//包含支持stm32f1系列的头文件
#include  "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "key.h"
#include "adc.h"
#include "kqm.h"
#include "dht11.h"

//使用FreeRTOS相关头文件之前先包含FreeRTOS.h
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
/********************信号量句柄***********************/
SemaphoreHandle_t Binary;
SemaphoreHandle_t Count;
SemaphoreHandle_t Mutex;
/********************队列句柄***********************/
QueueHandle_t Queue;
QueueHandle_t KqmQueue;
/*********************互斥锁保护Printf****************/
void MyPrintf(char *p)
{
	xSemaphoreTake(Mutex,portMAX_DELAY);
	printf("%s",p);
	xSemaphoreGive(Mutex);
}

//传感器任务
TaskHandle_t Sensor_TaskHandle;
void Sensor_Task(void *p)
{
	uint8_t recv[8] = {0};
	MyPrintf("Sensor Task Begin\r\n");
	while(1)
	{
		if(xQueueReceive(KqmQueue,recv,100)==pdTRUE)
		{
			printf("接受数据：%x %x %x %x %x %x %x %x\r\n",recv[0],recv[1],\
			recv[2],recv[3],recv[4],recv[5],recv[6],recv[7]);
		}else
		{
			printf("队列为空，接收失败\r\n");
		}
		taskENTER_CRITICAL();//进入临界区
		Dht11ReadData();//DHT11读取函数不能被打断
		ADC_DataFliter();//ADC均值滤波
		taskEXIT_CRITICAL();//退出临界区
		vTaskDelay(1000);//阻塞1秒
	}
}

//任务本体 闪灯任务
TaskHandle_t LED_TaskHandle;
void LED_Task(void *p)
{
	uint8_t i=0;
	MyPrintf("LED_Task Begin\r\n");
	while(1)
	{
		if(xSemaphoreTake(Count,portMAX_DELAY) == pdTRUE) 
		{
			MyPrintf("按键按下，获取到信号量\r\n");
		}else
		{
			MyPrintf("获取到信号量等待超时\r\n");
		}
		printf("i=%d\r\n",i++);
		Led_Toggle(1);
		//printf("LED任务剩余空间：%d\r\n",(int)uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL));
//	Delay_nms(200);//也能延时，但是会一直占用CPU
		//也是延时200ms，但是FreeRTOS提供的函数，有阻塞机制，能够让任务从运行态变为阻塞态
		vTaskDelay(1000);
	}
}
//任务本体 按键任务
TaskHandle_t KEY_TaskHandle;
void KEY_Task(void *p)
{
	uint8_t buff[2] = {0xAA,0x55};
	uint8_t buff2[2] = {0};
	MyPrintf("KEY_Task Begin\r\n");
	while(1)
	{
		switch(key_getvalue())
		{
			case 1:
				if(xQueueSend(Queue,buff,100) == pdTRUE)
				{
					printf("发送成功\r\n");
				}else
				{
					printf("队列已满，发送失败\r\n");
				}
				break;
			case 2:
				if(xQueueReceive(Queue,buff2,100)==pdTRUE)
				{
					printf("接受数据：%x %x\r\n",buff2[0],buff2[1]);
				}else
				{
					printf("队列为空，接收失败\r\n");
				}
				break;
			case 3:xSemaphoreGive(Count);break;
			case 4: break;
		}
		vTaskDelay(10);//MS级别的延时，带有阻塞性质，任务会从运行态变为阻塞态
	}
}	

int main()
{
	Led_Init();//初始化LED
	Key_init();//初始化按键
	Usart1_Config();//初始化串口1
	ADC_Config();//初始化ADC
	Kqm_U4Config();//初始化KQM
	DHT11_Mode();//初始化DHT11
	BaseType_t Ret = pdPASS;
	//创建一个二值信号量
	Binary = xSemaphoreCreateBinary();
	//创建一个计数信号量
	Count = xSemaphoreCreateCounting(10,5);
	//创建互斥锁
	Mutex = xSemaphoreCreateMutex();
	//创建队列 长度为10 ，队列中每个数据的大小2字节
	Queue = xQueueCreate(10,2);
	KqmQueue = xQueueCreate(1,8);
	//1,如何创建一个任务？
	Ret = xTaskCreate(Sensor_Task,"Sensor_Task",200,NULL,1,&Sensor_TaskHandle);
//	Ret = xTaskCreate(LED_Task, //创建任务的任务函数名
//                    "LED1_Toggle",//任务名字
//                    100,//任务栈深度。32位单片机*4
//                    NULL,//创建任务时传递参数,没有就给NULL
//                    1,//任务优先级
//										&LED_TaskHandle);//任务的句柄，用于后边删除，挂起任务
//	if(Ret == pdPASS){
//		printf("LED_Task创建完成\r\n");
//	}
	Ret = xTaskCreate(KEY_Task, //创建任务的任务函数名
                    "KEY_Task",//任务名字
                    100,//任务栈深度。32位单片机*4
                    NULL,//创建任务时传递参数,没有就给NULL
                    1,//任务优先级
										&KEY_TaskHandle);//任务的句柄，用于后边删除，挂起任务
	if(Ret == pdPASS){
		printf("KEY_Task创建完成\r\n");
	}
	printf("开启FreeRTOS调度器\r\n");
	//调度器启动完成之后，FreeRTOS会获取CPU控制权，会按照任务优先级执行创建的任务
	vTaskStartScheduler();
	printf("开启FreeRTOS调度器成功\r\n");
	while(1)
	{	
	}
}

void vApplicationStackOverflowHook( TaskHandle_t xTask,char *pcTaskName )
{
	printf("任务：%s->栈溢出\r\n",pcTaskName);
	printf("任务剩余空间：%d\r\n",(int)uxTaskGetStackHighWaterMark(xTask));
	while(1)//栈溢出时卡死到钩子函数中
	{}
}