基于STM32F103的FreeRTOS系列（二）·多任务系统

基于STM32F103的FreeRTOS系列（一）·单片机设计模式介绍·裸机程序的设计模式-CSDN博客

目录

1.  多任务模式

2.  互斥操作

3.  同步操作

1.  多任务模式

        对于裸机程序，无论使用哪种模式进行精心的设计，在最差的情况下都无法解决这个问题：假设有A、B两个都很耗时的函数，无法降低它们相互之间的影响。使用状态机模式时，如果函数拆分得不好，也会导致这个问题。本质原因是：函数是轮流执行的。假设“喂一口饭”需要t1~t5这5段时间，“回一个信息需要”ta~te这5段时间，轮流执行时：先执行完t1~t5，再执行ta~te，如下图所示：

对于职场妈妈，她怎么解决这个问题呢？她是一个眼明手快的人，可以一心多用，她这样做：

• 左手拿勺子，给小孩喂饭
• 右手敲键盘，回复同事
• 两不耽误，小孩“以为”妈妈在专心喂饭，同事“以为”她在专心聊天
• 但是脑子只有一个啊，虽然说“一心多用”，但是谁能同时思考两件事？
• 只是她反应快，上一秒钟在考虑夹哪个菜给小孩，下一秒钟考虑给同事回复什么信息
• 本质是：交叉执行，t1~t5和ta~te交叉执行，如下图所示：

基于多任务系统编写程序时，示例代码如下：

// RTOS程序
喂饭任务()
{
    while (1)
    {
        喂一口饭();
    }
}

回信息任务()
{
    while (1)
    {
        回一个信息();
    }
}

void main()
{
    // 创建2个任务
    create_task(喂饭任务);
    create_task(回信息任务);

    // 启动调度器
    start_scheduler();
}

        首先，创建2个任务：

    create_task(喂饭任务);
    create_task(回信息任务);

        启动调度器：

 start_scheduler();

        之后，这2个任务就会交叉执行了

        基于多任务系统编写程序时，反而更简单了：“喂饭任务”的代码和“回信息任务”的代码，编写它们时甚至都不需要考虑它和其他函数的相互影响。就好像有2个单板：一个只运行“喂饭任务”这个函数、另一个只运行“回信息任务”这个函数。

        多任务系统会依次给这些任务分配时间：你执行一会，我执行一会，如此循环。只要切换的间隔足够短，用户会“感觉这些任务在同时运行”。如下图所示：

2.  互斥操作

        多任务系统中，多个任务可能会“同时”访问某些资源，需要增加保护措施以防止混乱。比如任务A、B都要使用串口，能否使用一个全局变量让它们独占地、互斥地使用串口？示例代码如下：

// RTOS程序
int g_canuse = 1;

void uart_print(char *str)
{
    if (g_canuse)
    {
        g_canuse = 0;
        printf(str);
        g_canuse = 1;
    }
}

task_A()
{
    while (1)
    {
        uart_print("0123456789\n");
    }
}

task_B()
{
    while (1)
    {
        uart_print("abcdefghij");
    }
}

void main()
{
    // 创建2个任务
    create_task(task_A);
    create_task(task_B);
    // 启动调度器
    start_scheduler();
}

        程序的意图是：task_A打印“0123456789”，task_B打印“abcdefghij”。在task_A或task_B打印的过程中，另一个任务不能打印，以避免数字、字母混杂在一起，比如避免打印这样的字符：“012abc”。

        使用全局变量g_canuse实现互斥打印，它等于1时表示“可以打印”。在进行实际打印之前，先把g_canuse设置为0，目的是防止别的任务也来打印。

        这个程序大部分时间是没问题的，但是只要它运行的时间足够长，就会出现数字、字母混杂的情况。下图把uart_print函数标记为①~④个步骤：

void uart_print(char *str)
{
    if( g_canuse )     ①
    {
        g_canuse = 0;  ②
        printf(str);   ③
        g_canuse = 1;  ④
    }
}

        task_B执行①时也会成功进入if语句，假设它执行到③，在printf打印完部分字符比如“abc”后又再次被切换为task_A。

        task_A继续从上次被暂停的地方继续执行，即从②那里继续执行，成功打印出“0123456789”。这时在串口上可以看到打印的结果为：“abc0123456789”。

        是不是“①判断”、“②清零”间隔太远了，uart_print函数改进成如下的代码呢？

oid uart_print(char *str)
{
    g_canuse--;            ① 减一
    if( g_canuse == 0 )    ② 判断
    {
        printf(str);     ③ 打印
    }
    g_canuse++;          ④ 加一
}

        即使改进为上述代码，仍然可能产生两个任务同时使用串口的情况。因为“①减一”这个操作会分为3个步骤：a.从内存读取变量的值放入寄存器里，b.修改寄存器的值让它减一，c.把寄存器的值写到内存上的变量上去。

        如果task_A执行完步骤a、b，还没来得及把新值写到内存的变量里，就被切换为task_B：在这一瞬间，g_canuse还是1。

        task_B执行①②时也会成功进入if语句，假设它执行到③，在printf打印完部分字符比如“abc”后又再次被切换为task_A。

        task_A继续从上次被暂停的地方继续执行，即从步骤c那里继续执行，成功打印出“0123456789”。这时在串口上可以看到打印的结果为：“abc0123456789”。

        从上面的例子可以看到，基于多任务系统编写程序时，访问公用的资源的时候要考虑“互斥操作”。任何一种多任务系统都会提供相应的函数。

3.  同步操作

        如果任务之间有依赖关系，比如任务A执行了某个操作之后，需要任务B进行后续的处理。如果代码如下编写的话，任务B大部分时间做的都是无用功。

// RTOS程序
int flag = 0;

void task_A()
{
    while (1)
    {
        // 做某些复杂的事情
        // 完成后把flag设置为1
        flag = 1;
    }
}

void task_B()
{
    while (1)
    {
        if (flag)
        {
            // 做后续的操作
        }
    }
}

void main()
{
    // 创建2个任务
    create_task(task_A);
    create_task(task_B);
    // 启动调度器
    start_scheduler();
}

        上述代码中，在任务A没有设置flag为1之前，任务B的代码都只是去判断flag。而任务A、B的函数是依次轮流运行的，假设系统运行了100秒，其中任务A总共运行了50秒，任务B总共运行了50秒，任务A在努力处理复杂的运算，任务B仅仅是浪费CPU资源。

        如果可以让任务B阻塞，即让任务B不参与调度，那么任务A就可以独占CPU资源加快处理复杂的事情。当任务A处理完事情后，再唤醒任务B。示例代码如下：

// RTOS程序
void task_A()
{
    while (1)
    {
        // 做某些复杂的事情
        // 释放信号量,会唤醒任务B;
    }
}

void task_B()
{
    while (1)
    {
        // 等待信号量, 会让任务B阻塞
        // 做后续的操作
    }
}

void main()
{
    // 创建2个任务
    create_task(task_A);
    create_task(task_B);
    // 启动调度器
    start_scheduler();
}

• 第15行：任务B运行时，等待信号量，不成功时就会阻塞，不在参与任务调度。
• 第7行：任务A处理完复杂的事情后，释放信号量会唤醒任务B。
• 第16行：任务B被唤醒后，从这里继续运行。

在这个过程中，任务A处理复杂事情的时候可以独占CPU资源，加快处理速度。

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