瑞萨RA产品家族初学者指南-第9章（1）-电子发烧友网

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9. 使用实时操作系统

您将在本章中学到以下内容：

什么是线程、信号量和队列，以及如何使用它们。
如何在e² studio中向程序添加线程和信号量
如何在RTOS控制下通过按钮切换LED。

上一章中的练习已经利用了瑞萨RA系列单片机（MCU）灵活配置软件包（FSP）的很大一部分。在本章中，您将使用FreeRTOS实时操作系统创建一个小型应用程序，利用线程控制LED并利用信号量实现与按钮的同步。您将亲身体验到这实际上仅需要几个步骤。

我们将从头开始创建完整的项目，因此如果您没有进行过之前的实验，请不必担心。

本章目录

线程、信号量和队列
使用e² studio将线程添加到FreeRTOS中

9.1 线程、信号量和队列

在我们实际深入进行此练习之前，需要定义将在本章和下一章中使用的一些术语，以确保我们能够达成共识。

首先，需要定义术语“线程”。如果您更习惯于“任务”这个表达方式，只需把线程看作是一种任务。有些人甚至互换使用这两个短语。当使用实时操作系统（RTOS）时，单片机上运行的应用程序将拆分为几个较小的半独立代码块，每个代码块通常控制程序的一个方面。这些小片段称为线程。一个应用程序中可以存在多个线程，但是在任何给定时间都只能有一个线程处于活动状态，因为RA系列单片机是单核器件。每个线程都有自己的堆栈空间，如果需要安全的上下文，则可以将其置于MCU的安全侧。每个线程还分配有优先级（相对于应用程序中的其他线程），并且可以处于不同的状态，例如运行、就绪、阻塞或暂停。在FreeRTOS中，可以通过调用eTaskGetState()API函数来查询线程的状态。线程间信号传输、同步或通信是通过信号量、队列、互斥、通知、直接任务通知或者流和消息缓冲区来实现的。

信号量是RTOS的资源，可用于传输事件和线程同步（以产生者-使用者方式）。使用信号量允许应用程序暂停线程，直到事件发生并发布信号量。如果没有RTOS，就需要不断地轮询标志变量或创建代码来执行中断服务程序（ISR）中的某个操作，这会在相当长的一段时间内阻塞其他中断。使用信号量可快速退出ISR并将操作推迟到相关线程。

FreeRTOS提供计数信号量和二进制信号量。尽管二进制信号量由于只能采用两个值（0和1）而非常适合实现任务之间或中断与任务之间的同步，但是计数信号量的计数范围可涵盖0到用户在FSP配置器中创建信号量期间指定的最大计数。默认值为256，可支持设计人员执行更复杂的同步操作。

每个信号量都有两个相关的基本操作：

xSemaphoreTake()（将使信号量递减1）和xSemaphoreGive()（将使信号量递增1）。

这两个函数有两种形式：一种是可以从中断服务程序内部调用（xSemaphoreTakeFromISR()和xSemaphoreGiveFromThread()）的形式，另一种则是上述可以在线程的正常上下文中调用的形式。

我们需要讨论的最后一个术语是队列，即使在本练习中不使用队列，下一章的练习中也会使用。报文队列是线程间通信的主要方法，它允许在任务之间或中断与任务之间发送消息。消息队列中可以有一条或多条消息。数据（也可以是指向更大缓冲区的指针）会复制到队列中，即，它不存储引用而是消息本身。新消息通常置于队列的末尾，但也可以直接发送到开头。接收到的消息将从前面开始删除。

允许的消息大小可在设计时通过FSP配置器指定。默认项大小为4个字节，默认队列长度（表示队列中可存储的项数）为20。所有项的大小必须相同。FreeRTOS中的队列数没有限制；惟一的限制是系统中可用的存储空间。使用xQueueSend()函数将消息放入队列中，并通过xQueueReceive()从队列中读取消息。与信号量一样，函数有两种版本：一种可以从线程的上下文调用，另一种可以从ISR内部调用。

9.2 使用e² studio将线程添加到FreeRTOS中

接下来的练习也是基于EK-RA6M4评估板。这次，我们将使用电路板左上方的蓝色按钮S1向应用程序传输事件，应用程序将切换绿色LED2进行响应。为实现目标，我们将使用FreeRTOS，事件的处理将在线程内进行，并通过信号量进行通知。

像往常一样，第一步是使用项目配置器创建一个新项目，这已在第4章和第8章中做过练习。首先，转到“File → New → C/C++ Project”（文件 → 新建 → C/C++项目）。在所出现窗口的侧边栏中选择Renesas RA，并突出显示“Renesas RA C/C++ Project”（瑞萨RA C/C++项目）条目。单击“Next”（下一步）并在出现的屏幕上输入项目名称，例如MyRtosProject。再次单击“Next”（下一步）。此操作将转到“Device and Tools Selection”（器件和工具选择）窗口。首先，选择一个电路板。选择EK-RA6M4并将相应的器件设置为R7FA6M4AF3CFB（如果尚未列出）。查看工具链：它应显示为GCC Arm Embedded。单击“Next”（下一步）继续操作。

在当前出现的屏幕中，可以在非TrustZone与安全和非安全TrustZone项目之间进行选择。保持“Flat（NonTrustZone）Project”（扁平化（非TrustZone）项目）处于选中状态，然后单击“Next”（下一步）。随即出现“Build Artifact andRTOSSelection”（构建工件和RTOS选择）窗口。保持设置不变，即在“Build Artifact Selection”（构建工件选择）下选择“Executable”（可执行文件），在“RTOS Selection”（RTOS选择）下选择FreeRTOS。单击“Next”（下一步），转到下一个名为“Project Template Selection”（项目模板选择）的屏幕。在此，选择“FreeRTOS – Minimal – Static Allocation”（FreeRTOS – 最小化 – 静态分配）。

最后，单击“Finish”（完成），在配置器生成项目后，e² studio将询问您是否切换到“FSP Configuration”（FSP配置）透视图。透视图出现后，直接转到“Stacks”（堆）选项卡。该选项卡将在“Threads”（线程）窗格中显示“HAL/Common”（HAL/通用）线程的单个条目，其中包含I/O端口的驱动程序。单击窗格顶部的“New Thread”（新线程）图标（请参见图9-1添加新线程）。

图9-1：在FSP配置器出现之后，将仅显示一个线程。选择“New Thread”（新线程）按钮，添加另一个线程

现在，在“Properties”（属性）视图中更改新线程的属性：将“Symbol”（符号）重命名为led_thread，将“Name”（名称）重命名为LED Thread。其他属性保持默认值。在“LED Thread Stack”（LED线程堆）窗格中，单击“New Stack”（新线程）按钮图标，选择“Driver → Input → External IRQ Driver on r_icu”（驱动程序 → 输入 → r_icu 上的外部IRQ驱动程序）（请参见图9-2）。

图9-2：添加新驱动程序只需单击几下鼠标

此操作将为外部中断添加驱动程序。查看新驱动程序的“Properties”（属性）并进行一些更改：首先，将“Channel”（通道）从0更改为10，因为S1所连引脚连接到IRQ10。出于相同的原因，将名称更改为g_external_irq10或您喜欢的任何名称。

为中断分配优先级12，启动期间FSP将不会允许该中断。也可以选择任何其他优先级，但开始时最好选择优先级12，因为即使在较大的系统中，也很少会遇到中断优先级冲突。请注意，优先级15是为系统时钟节拍定时器（systick）保留的，因此不应被其他中断使用。

图9-3：堆元素的灰色条表示此驱动程序是模块实例，只能由另一个FSP模块实例引用。

将“Trigger”（触发器）从“Rising”（上升）更改为“Falling”（下降）以捕捉按钮激活操作，并将“Digital Filtering”（数字滤波）从“Disabled”（禁用）更改为“Enabled”（启用）。始终将“Digital Filtering Sample Clock”（数字滤波采样时钟）设置为PCLK/64。这将有助于对按钮去抖。最后，用external_irq10_callback替换Callback行中的NULL。每次按下S1都会调用此函数。在稍后创建应用程序时，我们将为回调函数本身添加代码。图9-4给出了必要设置的摘要。