Лабораторная работа №11. Очереди FreeRTOS (на основе мьютексов и семафоров)

11.1 Цели и задачи

Целью работы является освоение механизма блокировок во FreeRTOS на основе мьютексов и семафоров.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

Презентация к блоку "Операционные системы реального времени RISC-V"

11.2 Основные теоретические сведения

Мьютекс (Mutex: MUTual EXception) является разновидностью семафора. Семафор - примитив синхронизации работы процессов и потоков, в основе которого лежит счётчик, над которым можно производить две операции: увеличение и уменьшение значения на единицу, при этом операция уменьшения для нулевого значения счетчика является блокирующейся. Служит для построения более сложных механизмов синхронизации и используется для синхронизации параллельно работающих задач, для защиты передачи данных через разделяемую память, для защиты критических секций, а также для управления доступом к аппаратному обеспечению. Параметром семафора является максимальное значение его счетчика. Мьютекс - семафор, максимальное значение которого равно единице.

FreeRTOS разделяет понятия мьютекса и бинарного семафора. Отличие заключается в том, что у бинарных семафорах отсутствует механизм модификации приоритетов, который есть в мьютексах. Это проявляется тем, что у задачи, повышается приоритет на время владения мьютексом. Таким образом двоичные семафоры лучше подходят для синхронизации задач, а мьютексы - для блокировки ресурсов. В данной работе рассматриваются только двоичные семафоры и мьютексы. Существуют счетные семафоры и рекурсивные мьютексы, у которых максимальное значение счетчика больше единицы.

Для использования мьютексов и семафоров нужно создать макрос configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION, равный 1. Для использования мьютексов нужно также создать макрос configUSE_MUTEXES, равный 1. Мьютексы создаются функцией SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void ), а семафоры - SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void ).

Взятие семафора выполняется функцией xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait ), а освобождение - xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ). В функции взятия используется параметр времени ожидания xTicksToWait. Он определяет количество системных тиков, в течение которых задача ждет получение семафора.

В более старых версиях FreeRTOS для определения мьютекса используется объект xSemaphoreHandle. Функционально он ничем не отличается от SemaphoreHandle_t.

Пример кода работы с мьютексами:

SemaphoreHandle_t xSemaphore = NULL;
void vATask( void * pvParameters )
 {
    xSemaphore = xSemaphoreCreateMutex();
    if( xSemaphore != NULL )
    {
        if( xSemaphoreGive( xSemaphore ) != pdTRUE ) // will fail!
        {
	…
        }
        if( xSemaphoreTake( xSemaphore, ( TickType_t ) 0 ) )
        {
	…
            if( xSemaphoreGive( xSemaphore ) != pdTRUE )
            {
	…
            }
        }
    }
 }

11.3 Задание к лабораторной работе

Для выполнения работы требуется:

В лабораторной работе требуется разработать набор задач для доступа к общему ресурсу. В данной работе общим ресурсом является группа светодиодов на плате. В ходе работы нужно ограничить максимальное количество включенных светодиодов. Для этой цели предлагается использовать мьютексы в качестве механизма блокировки задач.

где а = номер варианта, b = количество букв в фамилии, t - базовый период, принимаемый как 200 тиков процессора, k - количество доступных для работы светодиодов.

Если светодиод не зажигается из-за указанных ограничений, то программа пропускает период горения и ждет полупериод для повторной попытки.

11.3.1 Описание последовательности выполнения работы

Для выполнения задания необходимо:

11.3.2 Пример выполнения работы

typedef struct {
  int num;
  char* text;
  char* text_fail
} lab_task_data_w_fail;

char* names[] = {"Toggle 1", "Toggle 2", "Toggle 3"};
char* names_fail[] = {"Toggle 1 failed", "Toggle 2 failed", "Toggle 3 failed"};
lab_task_data_w_fail data_fail[3];

void mutex_task_function(void *pvParameters)
{
  lab_task_data_w_fail* config = (lab_task_data_w_fail*)pvParameters;
  while(1)
  {
      if(xSemaphoreTake(mutex,0)){
     	 vSendString(config->text);
     	 vTaskDelay(100*(250<<config->num));
     	 vSendString(config->text);
     	 xSemaphoreGive(mutex);
      } else {
     	 vSendString(config->text_fail);
      }
	vTaskDelay(100*(250<<config->num));
  }
}


int main_mutex(){
  mutex = xSemaphoreCreateMutex();

  for(int i=0;i<3;i++){
      data_fail[i].num = i;
      data_fail[i].text = names[i];
      data_fail[i].text_fail = names_fail[i];
 
      xTaskCreate((TaskFunction_t )mutex_task_function,
               	(const char*	)names[i],
               	(uint16_t   	)512,
               	(void*      	)data_fail[i],
               	(UBaseType_t	)2,
               	(TaskHandle_t*  )NULL);

  }
  vTaskStartScheduler();
      return 0;
}

int main(){
	main_mutex();
while(1);
}

В ходе работы программы максимальное количество включенных светодиодов равно 1, так как созданный мьютекс блокирует включение других светодиодов. По этой причине при зажигании светодиода с самым большим периодом, остальные не могли зажечься.

11.5 Вопросы для контроля: