描述

Arduino IDE 和環境有許多觸手可及的驅動程序和庫，但 Arduino 環境僅限于setup()和loop()并且不支持有效的多任務處理。

本文介紹了互斥信號量在易于使用且功能強大的 FreeRTOS 實現中的使用，該實現作為庫包含在 Arduino IDE 中，并允許使用兩種環境的最佳部分。

背景

大多數操作系統似乎都允許多個程序或線程同時執行。這稱為多任務處理。實際上，每個處理器內核在任何給定時間點只能運行一個程序。操作系統的一部分稱為調度程序，負責決定何時運行哪個程序，并通過在每個程序之間快速切換來提供同時執行的錯覺。

傳統的實時調度程序，例如FreeRTOS中使用的調度程序，通過允許用戶為每個執行線程分配優先級來實現確定性。調度程序然后使用優先級來知道接下來要運行哪個執行線程。在 FreeRTOS 中，執行線程稱為Task 。

當兩個或多個任務共享一個硬件資源時，例如串行端口，可能會出現這樣的情況，即調度程序將在一個任務完成其串行輸出之前將其換出，而另一個任務將開始并可能提供一些串行輸出，有效地在第一個任務的輸出上涂鴉。

這種情況可以通過使用信號量（也稱為標志）來保護硬件資源，并防止它被使用，直到它被使用它的任務釋放，才能避免這種情況。

互斥信號量是包含優先級繼承機制的二進制信號量。鑒于二進制信號量是實現同步（任務之間或任務與中斷之間）的更好選擇，互斥信號量?是實現簡單互斥（因此 'MUT'ual 'EX'clusion）的更好選擇。

在此示例中，我們將使用?互斥信號量?來保護我們的串行端口。

當用于互斥時，互斥量就像一個用于保護資源的令牌。當任務希望訪問資源時，它必須首先獲取或“獲取”令牌。當它完成對資源的使用后，它必須“返還”令牌，讓其他任務有機會訪問同一資源。

讓我們開始吧

在之前的 ProTip 中，我們描述了如何為 Arduino IDE 安裝 FreeRTOS 庫，并測試它是否正常工作。如果您尚未執行此步驟，請立即執行。

現在要么將該AnalogRead_DigitalRead.ino文件加載到您的 Arduino IDE 中，要么將其復制并粘貼到一個新文件中，您應該正確命名并保存該文件。

在草圖中，有幾個步驟可以創建和使用互斥信號量來保護串行端口。

首先，需要將互斥量信號量的句柄聲明為全局變量。我們將此作為全局執行，以便所有任務都可以引用信號量，并檢查其可用性是否為“已獲取”。

在setup()函數中，我們通過檢查 Handle 是否為 來檢查 Semaphore 是否尚未創建NULL。然后我們繼續創建信號量，通過再次檢查句柄內容確認它已正確創建，然后在調度程序運行后最后“讓”它自由使用。

現在，每當一個任務想要使用串口Serial.println()?功能時，它應該確保它事先“獲取”了串口信號量。一旦任務完成串行端口，則它必須“提供”信號量以允許其他任務訪問該端口。

下一步

現在您已經創建了一個草圖，其中包含多個任務寫入受保護的串行端口，請嘗試在沒有信號量的情況下發生什么情況，方法是在每個任務中注釋掉“獲取”和“提供”信號量的代碼。

嘗試在兩個、三個或更多任務中打印長行文本，看看使用和不使用保護性信號量會發生什么。

閱讀 FreeRTOS 關于隊列、互斥鎖和信號量的詳細描述。有許多其他可用的信號量類型，理解每種類型應該在什么地方使用以達到最佳效果很重要。