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9. 使用實時操作系統

您將在本章中學到以下內容：

什么是線程、信號量和隊列，以及如何使用它們。
如何在e² studio中向程序添加線程和信號量
如何在RTOS控制下通過按鈕切換LED。

上一章中的練習已經利用了瑞薩RA系列單片機（MCU）靈活配置軟件包（FSP）的很大一部分。在本章中，您將使用FreeRTOS實時操作系統創建一個小型應用程序，利用線程控制LED并利用信號量實現與按鈕的同步。您將親身體驗到這實際上僅需要幾個步驟。

我們將從頭開始創建完整的項目，因此如果您沒有進行過之前的實驗，請不必擔心。

本章目錄

線程、信號量和隊列
使用e² studio將線程添加到FreeRTOS中

9.1 線程、信號量和隊列

在我們實際深入進行此練習之前，需要定義將在本章和下一章中使用的一些術語，以確保我們能夠達成共識。

首先，需要定義術語“線程”。如果您更習慣于“任務”這個表達方式，只需把線程看作是一種任務。有些人甚至互換使用這兩個短語。當使用實時操作系統（RTOS）時，單片機上運行的應用程序將拆分為幾個較小的半獨立代碼塊，每個代碼塊通常控制程序的一個方面。這些小片段稱為線程。一個應用程序中可以存在多個線程，但是在任何給定時間都只能有一個線程處于活動狀態，因為RA系列單片機是單核器件。每個線程都有自己的堆棧空間，如果需要安全的上下文，則可以將其置于MCU的安全側。每個線程還分配有優先級（相對于應用程序中的其他線程），并且可以處于不同的狀態，例如運行、就緒、阻塞或暫停。在FreeRTOS中，可以通過調用eTaskGetState()API函數來查詢線程的狀態。線程間信號傳輸、同步或通信是通過信號量、隊列、互斥、通知、直接任務通知或者流和消息緩沖區來實現的。

信號量是RTOS的資源，可用于傳輸事件和線程同步（以產生者-使用者方式）。使用信號量允許應用程序暫停線程，直到事件發生并發布信號量。如果沒有RTOS，就需要不斷地輪詢標志變量或創建代碼來執行中斷服務程序（ISR）中的某個操作，這會在相當長的一段時間內阻塞其他中斷。使用信號量可快速退出ISR并將操作推遲到相關線程。

FreeRTOS提供計數信號量和二進制信號量。盡管二進制信號量由于只能采用兩個值（0和1）而非常適合實現任務之間或中斷與任務之間的同步，但是計數信號量的計數范圍可涵蓋0到用戶在FSP配置器中創建信號量期間指定的最大計數。默認值為256，可支持設計人員執行更復雜的同步操作。

每個信號量都有兩個相關的基本操作：

xSemaphoreTake()（將使信號量遞減1）和xSemaphoreGive()（將使信號量遞增1）。

這兩個函數有兩種形式：一種是可以從中斷服務程序內部調用（xSemaphoreTakeFromISR()和xSemaphoreGiveFromThread()）的形式，另一種則是上述可以在線程的正常上下文中調用的形式。

我們需要討論的最后一個術語是隊列，即使在本練習中不使用隊列，下一章的練習中也會使用。報文隊列是線程間通信的主要方法，它允許在任務之間或中斷與任務之間發送消息。消息隊列中可以有一條或多條消息。數據（也可以是指向更大緩沖區的指針）會復制到隊列中，即，它不存儲引用而是消息本身。新消息通常置于隊列的末尾，但也可以直接發送到開頭。接收到的消息將從前面開始刪除。

允許的消息大小可在設計時通過FSP配置器指定。默認項大小為4個字節，默認隊列長度（表示隊列中可存儲的項數）為20。所有項的大小必須相同。FreeRTOS中的隊列數沒有限制；惟一的限制是系統中可用的存儲空間。使用xQueueSend()函數將消息放入隊列中，并通過xQueueReceive()從隊列中讀取消息。與信號量一樣，函數有兩種版本：一種可以從線程的上下文調用，另一種可以從ISR內部調用。

9.2 使用e² studio將線程添加到FreeRTOS中

接下來的練習也是基于EK-RA6M4評估板。這次，我們將使用電路板左上方的藍色按鈕S1向應用程序傳輸事件，應用程序將切換綠色LED2進行響應。為實現目標，我們將使用FreeRTOS，事件的處理將在線程內進行，并通過信號量進行通知。

像往常一樣，第一步是使用項目配置器創建一個新項目，這已在第4章和第8章中做過練習。首先，轉到“File → New → C/C++ Project”（文件 → 新建 → C/C++項目）。在所出現窗口的側邊欄中選擇Renesas RA，并突出顯示“Renesas RA C/C++ Project”（瑞薩RA C/C++項目）條目。單擊“Next”（下一步）并在出現的屏幕上輸入項目名稱，例如MyRtosProject。再次單擊“Next”（下一步）。此操作將轉到“Device and Tools Selection”（器件和工具選擇）窗口。首先，選擇一個電路板。選擇EK-RA6M4并將相應的器件設置為R7FA6M4AF3CFB（如果尚未列出）。查看工具鏈：它應顯示為GCC Arm Embedded。單擊“Next”（下一步）繼續操作。

在當前出現的屏幕中，可以在非TrustZone與安全和非安全TrustZone項目之間進行選擇。保持“Flat（NonTrustZone）Project”（扁平化（非TrustZone）項目）處于選中狀態，然后單擊“Next”（下一步）。隨即出現“Build Artifact andRTOSSelection”（構建工件和RTOS選擇）窗口。保持設置不變，即在“Build Artifact Selection”（構建工件選擇）下選擇“Executable”（可執行文件），在“RTOS Selection”（RTOS選擇）下選擇FreeRTOS。單擊“Next”（下一步），轉到下一個名為“Project Template Selection”（項目模板選擇）的屏幕。在此，選擇“FreeRTOS – Minimal – Static Allocation”（FreeRTOS – 最小化 – 靜態分配）。

最后，單擊“Finish”（完成），在配置器生成項目后，e² studio將詢問您是否切換到“FSP Configuration”（FSP配置）透視圖。透視圖出現后，直接轉到“Stacks”（堆）選項卡。該選項卡將在“Threads”（線程）窗格中顯示“HAL/Common”（HAL/通用）線程的單個條目，其中包含I/O端口的驅動程序。單擊窗格頂部的“New Thread”（新線程）圖標（請參見圖9-1添加新線程）。

圖9-1：在FSP配置器出現之后，將僅顯示一個線程。選擇“New Thread”（新線程）按鈕，添加另一個線程

現在，在“Properties”（屬性）視圖中更改新線程的屬性：將“Symbol”（符號）重命名為led_thread，將“Name”（名稱）重命名為LED Thread。其他屬性保持默認值。在“LED Thread Stack”（LED線程堆）窗格中，單擊“New Stack”（新線程）按鈕圖標，選擇“Driver → Input → External IRQ Driver on r_icu”（驅動程序 → 輸入 → r_icu 上的外部IRQ驅動程序）（請參見圖9-2）。

圖9-2：添加新驅動程序只需單擊幾下鼠標

此操作將為外部中斷添加驅動程序。查看新驅動程序的“Properties”（屬性）并進行一些更改：首先，將“Channel”（通道）從0更改為10，因為S1所連引腳連接到IRQ10。出于相同的原因，將名稱更改為g_external_irq10或您喜歡的任何名稱。

為中斷分配優先級12，啟動期間FSP將不會允許該中斷。也可以選擇任何其他優先級，但開始時最好選擇優先級12，因為即使在較大的系統中，也很少會遇到中斷優先級沖突。請注意，優先級15是為系統時鐘節拍定時器（systick）保留的，因此不應被其他中斷使用。

圖9-3：堆元素的灰色條表示此驅動程序是模塊實例，只能由另一個FSP模塊實例引用。

將“Trigger”（觸發器）從“Rising”（上升）更改為“Falling”（下降）以捕捉按鈕激活操作，并將“Digital Filtering”（數字濾波）從“Disabled”（禁用）更改為“Enabled”（啟用）。始終將“Digital Filtering Sample Clock”（數字濾波采樣時鐘）設置為PCLK/64。這將有助于對按鈕去抖。最后，用external_irq10_callback替換Callback行中的NULL。每次按下S1都會調用此函數。在稍后創建應用程序時，我們將為回調函數本身添加代碼。圖9-4給出了必要設置的摘要。