CMSIS-RTOS 信號量Semaphores

信號量Semaphores

和信號類似，信號量也是一種同步多個線程的方式，簡單來講，信號量就是裝有一些令牌的容器。當一個線程在執行過程中，就可能遇到一個系統調用來獲取信號量令牌，如果這個信號量包含多個令牌，線程就會繼續執行，同時信號量令牌的數量就會減一。如果此時信號量中沒有令牌，線程就會被置於等待狀態，直到出現一個可用的令牌。在線程執行的任何位置，它都可以給信號量增加一個令牌。

信號量用來幫助訪問程序資源，在一個線程允許訪問一個信號量之前，它必須擁有一個令牌。如果沒有令牌可用，它就必須等待，當線程使用完資源時，它就必須釋放令牌。

上圖揭示了兩個線程如何使信號量同步。首先，必須創建一個信號量，並初始化令牌數目，在上圖中，信號量初始化令牌數目為1。當兩個線程運行到某一點時就試圖從信號量中請求一個令牌，圖中第一個線程到達這個點，成功獲取一個令牌，然后繼續執行，第二個線程也試圖獲取一個令牌，但是當前信號量為空，所以它暫停執行，並進入等待狀態，直到信號量中有令牌可用。

與此同時，執行中的線程可以釋放令牌給信號量，一旦釋放完成，等待中的線程就會獲取令牌，並離開等待狀態進入准備狀態。緊接着調度器就會把它調度到運行狀態去執行剩下的代碼。

因為信號量保含較多的系統調用，所以想一次性全部理解有些難度，在本節，我們將首先看看如何給系統添加信號量，然后了解一下常用的信號量應用。

在使用信號量之前，你必須先聲明一個信號量容器：

osSemaphoreId sem1;
osSemaphoreDef(sem1);

然后在線程里給信號量容器初始化一些令牌：

sem1 = osSemaphoreCreate(osSemaphore(sem1), SIX_TOKENS);

有一點比較重要，就是在線程運行的過程中令牌既可以被創建也可以被銷毀，舉個例子，你可以初始化一個信號量，擁有0個令牌，然后用一個線程給這個信號量創建一些令牌，再使用另一個線程移除它們，這樣一來，你就可以設計線程，既可以充當生產者的線程，也可以充當消費者的線程。

一旦信號量被創建，令牌就可能被獲取，並以類似事件標志的方式發送給信號量，os_sem_wait調用來阻塞線程，直到有信號量令牌可用，類似os_event_wait，當然，在這個調用中同樣擁有超時機制，超時初始值是0xFFFF。

osStatus osSemaphoreWait(osSemaphoreId semaphore_id, uint32_t millisec);

一旦線程完成對信號量資源的使用，它就可以給信號量容器發送一個令牌：

osStatus osSemaphoreRelease(osSemaphoreId semaphore_id);

練習：信號量的信號傳輸

在這個練習中，我們將看到如何配置一個信號量，並使用它在兩個任務間發送信號。

打開Pack Installer，選擇”Ex 9 Semaphore Signaling”,然后復制到你的指定路徑。

首先創建一個信號量sem1，然后給它初始化0個令牌：

osSemaphoreId sem1;
osSemaphoreDef(sem1);
int main(void){ sem1 = osSemaphoreCreate(osSemaphore(sem1), 0);

第一個線程等待一個令牌被發送到信號量容器：

void led_Thread1(void const *argument){ for(;;){ osSemaphoreWait(sem1, osWaitForever); LED_On(1); osDelay(500); LED_Off(1); } }

與此同時，第二個線程周期性的給信號量發送令牌：

void led_Thread2(void const *argument){ for(;;){ LED_On(2); osSemaphoreRelease(sem1); osDelay(500); LED_Off(2); osDelay(500); } }

編譯工程並啟動仿真環境。

在led_Thread2任務設置斷點：

運行代碼，運行到斷點，觀察線程狀態：

現在led_thread1被阻塞，等待從信號量獲取一個令牌，線程1的優先級比線程2高，所以一旦令牌放入信號量，線程1就會立即進入准備狀態，搶占低優先級線程，並隨后啟動運行。當運行到osSemaphoreWait()調用后，它又再次阻塞。

現在單步運行（F10），觀察線程及信號量的行為。