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上一章，我们学习了如何使用UCOSII，学习了UCOSII的任务调度，但是并没有用到任务间的同步与通信，本章我们将学习两个最基本的任务间通讯方式：信号量和邮箱。
本章分为如下几个小节：
62.1 UCOSII信号量和邮箱简介
62.2 硬件设计
62.3 程序设计
62.4 下载验证
62.1 UCOSII信号量和邮箱简介
系统中的多个任务在运行时，经常需要互相无冲突地访问同一个共享资源，或者需要互相支持和依赖，甚至有时还要互相加以必要的限制和制约，才保证任务的顺利运行。因此，操作系统必须具有对任务的运行进行协调的能力，从而使任务之间可以无冲突、流畅地同步运行，而不导致灾难性的后果。
例如，任务A和任务B共享一台打印机，如果系统已经把打印机分配给了任务A，则任务B因不能获得打印机的使用权而应该处于等待状态，只有当任务A把打印机释放后，系统才能唤醒任务B，使其获得打印机的使用权。如果这两个任务不这样做，那么会造成极大的混乱。
任务间的同步依赖于任务间的通信。在UCOSII中，是使用信号量、邮箱（消息邮箱）和消息队列，这些被称作事件的中间环节来实现任务之间的通信的。这里我们仅介绍信号量和邮箱，消息队列将会在下一章介绍。
事件
两个任务通过事件进行通讯的示意图如图62.1.1所示：
图62.1.1 两个任务使用事件进行通信的示意图
在上图中任务1是发信方，任务2是收信方。任务1负责把信息发送到事件上，这项操作叫做发送事件。任务2通过读取事件操作对事件进行查询：如果有信息则读取，否则等待。读事件操作叫做请求事件。
为了把描述事件的数据结构统一起来，UCOSII 使用叫做事件控制块(ECB)的数据结构来描述诸如信号量、邮箱（消息邮箱）和消息队列这些事件。事件控制块中包含包括等待任务表在内的所有有关事件的数据，事件控制块结构体定义如下：
typedef struct os_event {
INT8U OSEventType; /* 事件的类型 */
void *OSEventPtr; /* 消息或消息队列的指针 */
INT16U OSEventCnt; /* 信号量计数器 */
OS_PRIO OSEventGrp; /* 等待事件的任务组 */
OS_PRIO OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE]; /* 任务等待表 */
#if OS_EVENT_NAME_EN > 0u
INT8U *OSEventName; /* 事件名 */
#endif
} OS_EVENT;
信号量
使用信号量的最初目的，是为了给共享资源设立一个标志，该标志表示该共享资源的占用情况。这样，当一个任务在访问共享资源之前，就可以先对这个标志进行查询，从而在了解资源被占用的情况之后，再来决定自己的行为。
信号量的实质是一个全局计数器的实现机制，释放信号量的任务使得该计数器的值加1，请求到信号量的任务使得该计数器的值减1。如果计数器得值为0，则请求该信号量得任务将挂起等待，直到别的任务释放该信号量。通过这种方式，使得释放信号量的任务可以控制请求信号量的任务的运行。
信号量的工作原理如图62.1.2所示：
图62.1.2信号量工作原理图
信号量可以分为两种：一种是二值型信号量，另外一种是N 值信号量。
UCOSII 将二值型信号量称之为也叫互斥型信号量，将 N 值信号量称之为计数型信号量， 也就是普通的信号量。
信号量相关的主要操作有：创建信号量OSSemCreate、请求信号量OSSemPend、释放信号量OSSemPost和删除信号量OSSemDel。后面再对这几个函数进行讲解。
邮箱
在多任务操作系统中，常常需要在任务与任务之间通过传递一个数据（这种数据叫做“消息”）的方式来进行通信。为了达到这个目的，可以在内存中创建一个存储空间作为该数据的缓冲区。如果把这个缓冲区称之为消息缓冲区，这样在任务间传递数据（消息）的最简单办法就是传递消息缓冲区的指针。我们把用来传递消息缓冲区指针的数据结构叫做邮箱（消息邮箱）。消息邮箱的工作情况如图62.1.3所示：
图62.1.3 消息邮箱工作情况图
从上图可知道，只有任务才能请求消息，邮箱里仅能存放一条消息，如果释放消息的速度比请求消息的速度快，则释放的消息将会丢失。可以通过广播的方式，使得释放的消息传递给所有请求该消息邮箱的任务。如果当前邮箱为空，且有某一任务2正在请求邮箱，则当另一任务1向邮箱中释放消息时，释放的消息将直接发送给任务2，而不用经过邮箱中转。
在UCOSII中，我们通过事件控制块的OSEventPrt来传递消息缓冲区指针，同时使事件控制块的成员OSEventType为常数OS_EVENT_TYPE_MBOX，则该事件控制块就叫做消息邮箱。
与消息邮箱相关的主要操作有：创建邮箱函数OSMboxCreate、向邮箱发送消息函数OSMboxPost、请求邮箱函数OSMboxPend、查询邮箱状态函数OSMboxQuery和删除邮箱函数OSMboxDel。后面再对这几个进行函数进行讲解。
62.2 硬件设计
电阻屏校准方法：
1，下载本代码。
2，按KEY_UP。
3，依次点击屏幕上的5个十字架（十字+小圈圈）的最中央（最好用笔尖）
4，直到屏幕提示："Touch Screen Adjust OK!"字样。
5，校准完成。
2. 硬件资源
1）RGB灯
RED ：LED0 - PB4
GREEN ：LED1 - PE6
2）独立按键
KEY0 – PA1
KEY1 – PA15
WK_UP – PA0
3) 正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
4）串口1 (PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
5）触摸屏(电阻式/电容式)
6）蜂鸣器(PE4)
62.3 程序设计
62.3.1 UCOSII相关函数介绍
信号量函数
在这里对本实验用到的UCOSII信号量函数进行介绍，相关代码存放在os_sem.c中。
图62.3.2.1 UCOSII信号量和邮箱实验
62.3.3 程序解析
main.c代码
在main.c文件下，除了main函数之外，还有UCOSII任务的一些配置以及6个任务函数。我们先看一下UCOSII任务的一些宏定义，如下代码所示：
/*****************************************************************************/
/* UCOSII任务设置 */
/* START 任务 配置
* 包括: 任务优先级 堆栈大小 等
*/
#define START_TASK_PRIO 10 /* 开始任务的优先级设置为最低 */
#define START_STK_SIZE 128 /* 堆栈大小 */
OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE]; /* 任务堆栈 */
void start_task(void *pdata); /* 任务函数 */
/* 触摸屏任务 任务 配置
* 包括: 任务优先级 堆栈大小 等
*/
#define TOUCH_TASK_PRIO 7 /* 优先级设置(越小优先级越高) */
#define TOUCH_STK_SIZE 128 /* 堆栈大小 */
OS_STK TOUCH_TASK_STK[TOUCH_STK_SIZE]; /* 任务堆栈 */
void touch_task(void *pdata); /* 任务函数 */
/* LED 任务 配置
* 包括: 任务优先级 堆栈大小 等
*/
#define LED_TASK_PRIO 6 /* 优先级设置(越小优先级越高) */
#define LED_STK_SIZE 128 /* 堆栈大小 */
OS_STK LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE]; /* 任务堆栈 */
void led_task(void *pdata); /* 任务函数 */
/* 蜂鸣器 任务 配置
* 包括: 任务优先级 堆栈大小 等
*/
#define BEEP_TASK_PRIO 5 /* 优先级设置(越小优先级越高) */
#define BEEP_STK_SIZE 128 /* 堆栈大小 */
OS_STK BEEP_TASK_STK[BEEP_STK_SIZE]; /* 任务堆栈 */
void beep_task(void *pdata); /* 任务函数 */
/* 主 任务 配置
* 包括: 任务优先级 堆栈大小 等
*/
#define MAIN_TASK_PRIO 4 /* 优先级设置(越小优先级越高) */
#define MAIN_STK_SIZE 128 /* 堆栈大小 */
OS_STK MAIN_TASK_STK[MAIN_STK_SIZE]; /* 任务堆栈 */
void main_task(void *pdata); /* 任务函数 */
/* 按键扫描 任务 配置
* 包括: 任务优先级 堆栈大小 等
*/
#define KEY_TASK_PRIO 3 /* 优先级设置(越小优先级越高) */
#define KEY_STK_SIZE 128 /* 堆栈大小 */
OS_STK KEY_TASK_STK[KEY_STK_SIZE]; /* 任务堆栈 */
void key_task(void *pdata); /* 任务函数 */
/*****************************************************************************/
/**
* @brief 开始任务
* @param pdata : 传入参数(未用到)
* @retval 无
*/
void start_task(void *pdata)
{
OS_CPU_SR cpu_sr = 0;
pdata = pdata;
msg_key = OSMboxCreate((void *)0); /* 创建消息邮箱 */
sem_beep = OSSemCreate(0); /* 创建信号量 */
OSStatInit(); /* 开启统计任务 */
OS_ENTER_CRITICAL(); /* 进入临界区(关闭中断) */
/* 触摸任务 */
OSTaskCreateExt((void(*)(void *) )touch_task,
(void * )0,
(OS_STK * )&TOUCH_TASK_STK[TOUCH_STK_SIZE - 1],
(INT8U )TOUCH_TASK_PRIO,
(INT16U )TOUCH_TASK_PRIO,
(OS_STK * )&TOUCH_TASK_STK[0],
(INT32U )TOUCH_STK_SIZE,
(void * )0,
(INT16U )OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR
| OS_TASK_OPT_SAVE_FP);
/* LED任务 */
OSTaskCreateExt((void(*)(void *) )led_task,
(void * )0,
(OS_STK * )&LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE - 1],
(INT8U )LED_TASK_PRIO,
(INT16U )LED_TASK_PRIO,
(OS_STK * )&LED_TASK_STK[0],
(INT32U )LED_STK_SIZE,
(void * )0,
(INT16U )OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR
| OS_TASK_OPT_SAVE_FP);
/* 蜂鸣器任务 */
OSTaskCreateExt((void(*)(void *) )beep_task,
(void * )0,
(OS_STK * )&BEEP_TASK_STK[BEEP_STK_SIZE - 1],
(INT8U )BEEP_TASK_PRIO,
(INT16U )BEEP_TASK_PRIO,
(OS_STK * )&BEEP_TASK_STK[0],
(INT32U )BEEP_STK_SIZE,
(void * )0,
(INT16U )OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR
| OS_TASK_OPT_SAVE_FP);
/* 主任务 */
OSTaskCreateExt((void(*)(void *) )main_task,
(void * )0,
(OS_STK * )&MAIN_TASK_STK[MAIN_STK_SIZE - 1],
(INT8U )MAIN_TASK_PRIO,
(INT16U )MAIN_TASK_PRIO,
(OS_STK * )&MAIN_TASK_STK[0],
(INT32U )MAIN_STK_SIZE,
(void * )0,
(INT16U )OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR
| OS_TASK_OPT_SAVE_FP);
/* 按键任务 */
OSTaskCreateExt((void(*)(void *) )key_task,
(void * )0,
(OS_STK * )&KEY_TASK_STK[KEY_STK_SIZE - 1],
(INT8U )KEY_TASK_PRIO,
(INT16U )KEY_TASK_PRIO,
(OS_STK * )&KEY_TASK_STK[0],
(INT32U )KEY_STK_SIZE,
(void * )0,
(INT16U )OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR
| OS_TASK_OPT_SAVE_FP);
OS_EXIT_CRITICAL(); /* 退出临界区(开中断) */
OSTaskSuspend(START_TASK_PRIO); /* 挂起开始任务 */
}
/**
* @brief LED任务
* @param pdata : 传入参数(未用到)
* @retval 无
*/
void led_task(void *pdata)
{
uint8_t t;
while (1)
{
t++;
delay_ms(10);
if (t == 8)LED0(1); /* LED0灭 */
if (t == 100) /* LED0亮 */
{
t = 0;
LED0(0);
}
}
}
/**
* @brief 蜂鸣器任务
* @param pdata : 传入参数(未用到)
* @retval 无
*/
void beep_task(void *pdata)
{
uint8_t err;
while (1)
{
OSSemPend(sem_beep, 0, &err); /* 请求信号量 */
BEEP(1); /* 打开蜂鸣器 */
delay_ms(60);
BEEP(0); /* 关闭蜂鸣器 */
delay_ms(940);
}
}
/**
* @brief 触摸屏任务
* @param pdata : 传入参数(未用到)
* @retval 无
*/
void touch_task(void *pdata)
{
uint32_t cpu_sr;
uint16_t lastpos[2]; /* 最后一次的数据 */
while (1)
{
tp_dev.scan(0);
if (tp_dev.sta & TP_PRES_DOWN) /* 触摸屏被按下 */
{
if (tp_dev.x[0] < lcddev.width && tp_dev.y[0] < lcddev.height
&& tp_dev.y[0] > 120)
{
if (lastpos[0] == 0XFFFF)
{
lastpos[0] = tp_dev.x[0];
lastpos[1] = tp_dev.y[0];
}
OS_ENTER_CRITICAL();/*进入临界段,防止其他任务,打断LCD操作,导致液晶乱序*/
lcd_draw_bline(lastpos[0], lastpos[1], tp_dev.x[0], tp_dev.y[0],
2, RED); /* 画线 */
OS_EXIT_CRITICAL();
lastpos[0] = tp_dev.x[0];
lastpos[1] = tp_dev.y[0];
}
}
else
{
lastpos[0] = 0XFFFF;
delay_ms(10); /* 没有按键按下的时候 */
}
}
}
/**
* @brief 主任务
* @param pdata : 传入参数(未用到)
* @retval 无
*/
void main_task(void *pdata)
{
uint32_t key = 0;
uint8_t err;
uint8_t semmask = 0;
uint8_t tcnt = 0;
while (1)
{
key = (uint32_t)OSMboxPend(msg_key, 10, &err);
switch (key)
{
case KEY0_PRES: /* 控制DS1,并清除触摸区域 */
LED1_TOGGLE();
lcd_fill(0, 121, lcddev.width - 1, lcddev.height - 1, WHITE);
break;
case KEY1_PRES: /* 发送信号量 */
semmask = 1;
OSSemPost(sem_beep);
break;
case WKUP_PRES: /* 校准 */
OSTaskSuspend(TOUCH_TASK_PRIO); /* 挂起触摸屏任务 */
if ((tp_dev.touchtype & 0X80) == 0)
{
tp_adjust();
}
OSTaskResume(TOUCH_TASK_PRIO); /* 解挂 */
ucos_load_main_ui(); /* 重新加载主界面 */
break;
}
if (semmask || sem_beep->OSEventCnt) /* 需要显示sem */
{
/* 显示信号量的值 */
lcd_show_xnum(192, 50, sem_beep->OSEventCnt, 3, 16, 0X80, BLUE);
if (sem_beep->OSEventCnt == 0)semmask = 0; /* 停止更新 */
}
if (tcnt == 10) /* 0.6秒更新一次CPU使用率 */
{
tcnt = 0;
lcd_show_xnum(192, 30, OSCPUUsage, 3, 16, 0, BLUE);/* 显示CPU使用率 */
}
tcnt++;
delay_ms(10);
}
}
/**
* @brief 按键扫描任务
* @param pdata : 传入参数(未用到)
* @retval 无
*/
void key_task(void *pdata)
{
uint8_t key;
while (1)
{
key = key_scan(0);
if (key)OSMboxPost(msg_key, (void *)key); /* 发送消息 */
delay_ms(10);
}
}
上面就是对创建的start_task、led0_task、touch_task、led1_task、main_task 和 key_task等6个任务的参数进行配置，例如优先级、堆栈大小和任务函数的声明及定义。
这6个任务做的事情在前面程序流程图里面已经有说明，这里就不多说了。
下面看一下main主函数的代码：
OS_EVENT *msg_key; /* 按键邮箱事件块指针 */
OS_EVENT *sem_beep; /* 蜂鸣器信号量指针 */
int main(void)
{
sys_cache_enable(); /* 打开L1-Cache */
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(240, 2, 2, 4); /* 设置时钟, 480Mhz */
delay_init(480); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
mpu_memory_protection(); /* 保护相关存储区域 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
beep_init(); /* 初始化蜂鸣器 */
tp_dev.init(); /* 触摸屏初始化 */
ucos_load_main_ui(); /* 加载主界面 */
OSInit(); /* UCOS初始化 */
OSTaskCreateExt((void(*)(void *) )start_task, /* 任务函数 */
(void * )0, /* 传递给任务函数的参数 */
/* 任务堆栈栈顶 */
(OS_STK * )&START_TASK_STK[START_STK_SIZE - 1],
(INT8U )START_TASK_PRIO, /* 任务优先级 */
(INT16U )START_TASK_PRIO,/* 任务ID，这里设置为和优先级一样 */
(OS_STK * )&START_TASK_STK[0], /* 任务堆栈栈底 */
(INT32U )START_STK_SIZE, /* 任务堆栈大小 */
(void * )0, /* 用户补充的存储区 */
(INT16U )OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR
| OS_TASK_OPT_SAVE_FP);
/* 任务选项,为了保险起见，所有任务都保存浮点寄存器的值 */
OSStart(); /* 开始任务 */
}
这一章的main函数的运行流程比上一章复杂了一些，我们创建了消息邮箱msg_key，用于按键任务和主任务之间的数据传输（传递键值）。另外创建了信号量sem_led1，用于LED1任务和主任务之间的通信。
在代码中，我们使用了UCOSII提供的CPU统计服务，通过OSStatInit初始化CPU统计任务，然后在主任务中显示CPU使用率。
另外，在主任务中，我们用到了任务的挂起和恢复函数，在执行触摸校准的时候，我们必须先将触摸屏任务挂起，待校准完成之后，再恢复触摸屏任务。这是因为触摸屏校准和触摸屏任务都用到了触摸屏和TFTLCD，而这两个东西是不支持多任务占用的，所以必须采用独占的方式使用，否则可能导致数据错乱。
62.4 下载验证
将程序下载到开发板后，可以看到LCD显示界面如图62.4.1所示：
图62.4.1 初始化界面
从上图可以看到，默认情况下，CPU使用率仅为1%。此时通过在触摸区域(Touch Area)画图，可以看到CPU使用率飙升，这说明触摸屏任务是一个很占CPU的任务；通过按KEY0，可以控制LED1的亮灭；通过按KEY1则可以控制蜂鸣器的发声（连续按下多次后，可以看到蜂鸣每隔1秒叫一次），同时，可以在LCD上面看到信号量的当前值；通过按下WK_UP可以进入校准程序，对触摸屏进行校准（注意，电容触摸屏不需要校准，所以如果是电容屏，按KEY_UP，就相当于清屏一次的效果，不会进行校准）。