灵动微课堂 (第240讲)｜使用MM32F3270基于Azure RTOS信号量的应用
来源:灵动MM32MCU发布时间:2022-12-15995浏览
询问 AI简 介
Azure RTOS ThreadX 是 Microsoft 提供的高级工业级实时操作系统 (RTOS)。它是专门为深度嵌入式实时 IoT 应用程序设计的。Azure RTOS ThreadX 提供高级计划、通信、同步、计时器、内存管理和中断管理功能。此外，Azure RTOS ThreadX 具有许多高级功能，包括 picokernel™ 体系结构、preemption-threshold™ 计划、event-chaining™、执行分析、性能指标和系统事件跟踪。Azure RTOS ThreadX 非常易于使用，适用于要求极其苛刻的嵌入式应用程序。Azure RTOS ThreadX 在各种产品（包括消费者设备、医疗电子设备和工业控制设备）上的部署次数已达数十亿次。
具体的介绍和用户指南可以参考：
https://docs.microsoft.com/zh-cn/azure/rtos/threadx/
在前文描述移植基本内核的基础上，该应用手册描述了如何基于MM32F3270系列MCU结合Azure RTOS ThreadX应用Counting Semaphores的使用，引导用户理解Azure RTOS ThreadX信号量功能。
表 1 适用系列型号
系列 | 芯片型号 | 开发板 |
MM32F3270 | MM32F3273G9P | EVB-F3270 |
1
移植应用的准备
1.1 硬件开发板的准备
该移植过程中应用的开发板为MM32的EVB-F3270，板载MM32F3273G9P。
EVB-F3270 (MM32F3273G9P) 的简要参数：
Arm Cortex-M3 内核
板载 MM32F3273G9P（LQFP144）
USB Host / Device、SPI、I2C
4 x Key、4 x LED
I2S Speaker
TF-Card
Ethernet PHY
1.2 软件的准备
库函数和例程（Lib Samples）
该移植过程中应用的 Firmware 分别为 MM32F3270 库函数和例程，下载地址：
https://www.mindmotion.com.cn/products/mm32mcu/mm32f/mm32f_mainstream/mm32f3270/
Azure RTOS ThreadX（源码）
ThreadX 的源代码已经开放，我们可以从 ThreadX 公共源代码存储库获取 Azure RTOS ThreadX，网址为：
https://github.com/azure-rtos/threadx/
具体的商用使用条件参考Azure的许可证说明：
https://www.microsoft.com/en-us/legal/intellectualproperty/tech-licensing/programs?msclkid=f7ab4ff3afa011ec90a79366a52034faactivetab=pivot1:primaryr11
Microsoft publishes the Azure RTOS source code to GitHub. No license is required to install and use the software for internal development, testing, and evaluation purposes. A license is required to distribute or sell components and devices unless using Azure RTOS licensed hardware.
Azure RTOS 何时需要许可证？
Microsoft 将 Azure RTOS 源代码发布到 GitHub。安装和使用该软件进行内部开发、测试和评估无需许可证。分发或销售组件和设备需要许可证，除非使用 Azure RTOS 许可的硬件。
ThreadX 安装
可以通过将 GitHub 存储库克隆到本地计算机来安装 ThreadX。下面是用于在 PC 上创建 ThreadX 存储库的克隆的典型语法。
shell复制
git clone https://github.com/azure-rtos/threadx
或者，也可以使用 GitHub 主页上的“下载”按钮来下载存储库的副本。
下载后的仓库代码目录列表如下：
Azure RTOS ThreadX（源码）支持的开发环境
ThreadX 内核提供好了各种主流硬件平台和软件平台的移植文件，以Cortex_M3为例，可以支持以下六种开发环境：
本次移植过程使用Azure RTOS原有的sample_threadx.c文件为例，稍作修改，演示信号量的功能与应用。
2
Threadx 信号量的应用
该章节介绍信号量的相关知识，演示程序可在MM32F3273G9P的EVB-F3270上运行。
此示例在文件 main_semaphore_demo.c 中实现，旨在说明如何在嵌入式多线程环境中使用信号量，实现任务之间的同步和资源共享机制。
2.1 信号量
2.1.1 统计信号量
ThreadX 提供 32 位计数信号灯，其值范围在 0 到 4,294,967,295 之间。计数信号灯有两个操作：tx_semaphore_get 和 tx_semaphore_put 。执行获取操作会将信号灯数量减一，如果信号灯为 0，获取操作不会成功。获取操作的逆操作是放置操作，该操作会将信号灯数量加一。
每个计数信号灯都是一个公用资源，ThreadX 对如何使用计数信号灯没有任何限制。
计数信号灯通常用于互相排斥，也可将计数信号灯用作事件通知的方法。
2.1.2 互相排斥
互相排斥用于控制线程对某些应用程序区域（也称为关键部分或应用程序资源）的访问 。将信号灯用于互相排斥时，信号灯的“当前计数”表示允许访问的线程总数。在大多数情况下，用于互相排斥的计数信号灯的初始值为 1，这意味着每次只有一个线程可以访问关联的资源。只有 0 或 1 值的计数信号灯通常称为二进制信号灯。
如果使用二进制信号灯，用户必须阻止同一个线程对其已拥有的信号灯执行获取操作。第二个获取操作将失败，并且可能导致调用线程无限期挂起和资源永久不可用。
2.1.3 事件通知
还可以采用生成者-使用者的方式，将计数信号灯用作事件通知。使用者尝试获取计数信号灯，而生成者则在有可用的信息时增加信号灯。此类信号灯的初始值通常为 0，此值不会在生成者为使用者准备好信息之前增加。用于事件通知的信号灯也可能从使用 tx_semaphore_ceiling_put 服务调用中获益。此服务确保信号灯计数值永远不会超过调用中提供的值。
2.1.4 创建计数信号灯
计数信号灯由应用程序线程在初始化期间或运行时创建。信号灯的初始计数在创建过程中指定。应用程序中计数信号灯的数量没有限制。
2.1.5 线程挂起
尝试对当前计数为 0 的信号灯执行获取操作时，应用程序线程可能会挂起。
执行放置操作后，才会执行挂起线程的获取操作并恢复该线程。如果同一计数信号灯上挂起多个线程，这些线程将按照挂起的顺序 (FIFO) 恢复。
不过，如果应用程序在取消线程挂起的信号灯放置调用之前调用 tx_semaphore_prioritize，还可以恢复优先级。信号灯设置优先级服务将优先级最高的线程放于挂起列表的前面，同时让所有其他挂起的线程采用相同的 FIFO 顺序。
2.1.6 信号灯放置通知
某些应用程序可能会发现，在放置信号灯时收到通知十分有利。ThreadX 通过 tx_semaphore_put_notify 服务提供此功能。此服务将提供的应用程序通知函数注册到指定的信号灯。只要放置了信号灯，ThreadX 就会调用此应用程序通知函数。应用程序通知函数内的确切处理由应用程序决定；但这通常包括恢复相应的线程以处理新信号灯放置事件。
2.1.7 运行时信号灯性能信息
ThreadX 提供可选的运行时信号灯性能信息。如果 ThreadX 库和应用程序是在定义 TX_SEMAPHORE_ENABLE_PERFORMANCE_INFO 的情况下生成的，ThreadX 会累积以下信息。
整个系统的总数：
信号灯放置数
信号灯获取数
信号灯获取挂起数
信号灯获取超时数
每个信号灯的总数：
信号灯放置数
信号灯获取数
信号灯获取挂起数
信号灯获取超时数
此信息在运行时通过tx_semaphore_performance_info_get和 tx_semaphore_performance_system_info_get 服务提供。信号灯性能信息在确定应用程序是否正常运行时非常有用。此信息对于优化应用程序也很有用。例如，“信号灯获取超时数”相对较高可能表明其他线程占用资源的时间太长。
2.2 Azure Threadx 信号量的相关函数
tx_semaphore_create 创建计数信号灯UINTtx_semaphore_create(
TX_SEMAPHORE*semaphore_ptr,
CHAR*name_ptr,
ULONGinitial_count);
函数说明
此服务创建用于线程间同步的计数信号灯。初始信号灯计数指定为输入参数。
参数
semaphore_ptr：指向信号灯控制块的指针。
name_ptr：指向信号灯名称的指针。
initial_count：指定此信号灯的初始计数。合法值的范围为 0x00000000 至 0xFFFFFFFF。
返回值
TX_SUCCESS：(0X00) 成功创建信号灯。
TX_SEMAPHORE_ERROR：(0x0C) 信号灯指针无效。指针为 NULL 或已创建信号灯。
NX_CALLER_ERROR：(0x13) 此服务的调用方无效。
示例
TX_SEMAPHOREmy_semaphore;
UINTstatus;
/*Createacountingsemaphorewhoseinitialvalueis1.
Thisistypicallythetechniqueusedtomakeabinary
semaphore.Binarysemaphoresareusedtoprovide
protectionoveracommonresource.*/
status=tx_semaphore_create(my_semaphore,
"my_semaphore_name",1);
/*IfstatusequalsTX_SUCCESS,my_semaphoreisreadyfor
use.*/
另请参阅
tx_semaphore_ceiling_put
tx_semaphore_delete
tx_semaphore_get
tx_semaphore_info_get
tx_semaphore_performance_info_get
tx_semaphore_performance_system_info_get
tx_semaphore_prioritize
tx_semaphore_put
tx_semaphore_put_notify
具体函数的中文说明可以参考：
https://docs.microsoft.com/zh-cn/azure/rtos/threadx/chapter4
具体函数的英文说明可以参考：
https://docs.microsoft.com/en-us/azure/rtos/threadx/threadx-smp/chapter4
2.3 信号量的应用演示
2.3.1 工程目录的建立
打开目标工程文件夹“MM32F3270Project”：
移除原有样例.c 文件sample_threadx.c：
参考sample_threadx.c建立main_semaphore_demo.c文件，并添加hardware目录中的led.c、key.c到工程项目中。
注意：
需要在delay.c中配置USE_SYSTICK_DELAY 为 0。
#define USE_SYSTICK_DELAY 0
3
Threadx 的信号量应用
创建如下几个任务：
LED1闪烁指示当前系统运行。
K2键按下，发送信号量同步信号。
任务接收到消息后，串口打印。
3.1 代码实现
下载调试默认会运行到main()函数，如下为全部实现的代码。
Demo演示代码
/*Thisisasmalldemoofthehigh-performanceThreadXkernel.Itincludesexamplesofsix
threadsofdifferentpriorities,usingamessagequeue,semaphore,andaneventflagsgroup.*/
#include"tx_api.h"
#include"delay.h"
#include"led.h"
#include"key.h"
#include"uart.h"
#defineDEMO_STACK_SIZE1024
#defineTHREAD0_PRIORITY1
#defineTHREAD0_PREEMPTION_THRESHOLD1
#defineTHREAD1_PRIORITY2
#defineTHREAD1_PREEMPTION_THRESHOLD2
#defineTHREAD5_PRIORITY4
#defineTHREAD5_PREEMPTION_THRESHOLD4
//#defineTHREAD5_PREEMPTION_THRESHOLD_NEW0
/*DefinetheThreadXobjectcontrolblocks...*/
TX_THREADthread_0;
TX_THREADthread_1;
TX_THREADthread_5;
TX_SEMAPHORESemaphore;
/*Definethecountersusedinthedemoapplication...*/
ULONGthread_0_counter;
ULONGthread_1_counter;
ULONGthread_5_counter;
/*Definethethreadstacks.*/
UCHARthread_0_stack[DEMO_STACK_SIZE];
UCHARthread_1_stack[DEMO_STACK_SIZE];
UCHARthread_5_stack[DEMO_STACK_SIZE];
/*Definethreadprototypes.*/
voidthread_0_entry(ULONGthread_input);
voidthread_1_entry(ULONGthread_input);
voidthread_5_entry(ULONGthread_input);
volatileunsignedintbootloop;
/*Definemainentrypoint.*/
intmain()
{
DELAY_Init();//cannotusesystick
LED_Init();
KEY_Init();
CONSOLE_Init(115200);
printf("!!!Start!!!\r\n");
/*EntertheThreadXkernel.*/
tx_kernel_enter();
}
/*Definewhattheinitialsystemlookslike.*/
voidtx_application_define(void*first_unused_memory)
{
/*Createthread0.*/
tx_thread_create(
thread_0,
"thread0",
thread_0_entry,
0,
thread_0_stack,
DEMO_STACK_SIZE,
THREAD0_PRIORITY,
THREAD0_PREEMPTION_THRESHOLD,
TX_NO_TIME_SLICE,
TX_AUTO_START);
/*Createthread1.*/
tx_thread_create(
thread_1,
"thread1",
thread_1_entry,
0,
thread_1_stack,
DEMO_STACK_SIZE,
THREAD1_PRIORITY,
THREAD1_PREEMPTION_THRESHOLD,
TX_NO_TIME_SLICE,
TX_AUTO_START);
/*Createthread5.*/
tx_thread_create(
thread_5,
"thread5",
thread_5_entry,
5,
thread_5_stack,
DEMO_STACK_SIZE,
THREAD5_PRIORITY,
THREAD5_PREEMPTION_THRESHOLD,
TX_NO_TIME_SLICE,
TX_AUTO_START);
/*Createasemaphoreforsignalsynchronization*/
tx_semaphore_create(Semaphore,"Semaphore",0);
}
/*Definethetestthreads.*/
voidthread_0_entry(ULONGthread_input)
{
/*ThisthreadsimplycontrolsLEDflashingtoindicatethatthesystemisrunning*/
while(1)
{
/*Incrementthethreadcounter.*/
thread_0_counter++;
LED1_TOGGLE();
/*Sleepfor200ticks.*/
tx_thread_sleep(200);
}
}
voidthread_1_entry(ULONGthread_input)
{
UINTstatus;
/*Thisthreadsimplysuccessfullyreceivesthesemaphoreandstartstoprintinformation*/
while(1)
{
/*Incrementthethreadcounter.*/
thread_1_counter++;
status=tx_semaphore_get(Semaphore,TX_WAIT_FOREVER);
if(status==TX_SUCCESS)
{
/*Receivethesemaphore*/
printf("Synchronizationsemaphorereceived\r\n");
}
}
}
voidthread_5_entry(ULONGthread_input)
{
UCHARt=0;
/*Thisthreadsimplyscanbuttonispressedtosendthesemaphore.*/
while(1)
{
/*Incrementthethreadcounter.*/
thread_5_counter++;
t=KEY_Scan(0);
if(KEY1_PRES==t)
{
LED1_TOGGLE();
}
elseif(KEY2_PRES==t){
LED2_TOGGLE();
/*K2ispressedtosendasemaphore*/
tx_semaphore_put(Semaphore);
}
elseif(KEY3_PRES==t){
LED3_TOGGLE();
}
elseif(KEY4_PRES==t){
LED4_TOGGLE();
}
else{
tx_thread_sleep(10);
}
}
}
3.2 下载与调试
运行程序，板载LED1闪烁。观察串口调试助手，按下K2键，串口打印信息：
创建信号量初始值为 0，用于信号同步。任务5执行按键扫描，当K2按下时通过tx_semaphore_put发送信号量，对计数值执行加1操作。任务1通过tx_semaphore_get用于信号量接收，对计数值执行减1操作，实际运行情况是K2键每按下一次，串口打印一条信息，Demo演示成功。
4
小结
Azure RTOS 使用信号量能够方便地实现任务之间的同步和资源共享机制，结合MM32F3270的强大性能，可以实现Azure RTOS广泛的应用场景。
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