2021單晶片課程：RTOS(下)

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Mutex

Mutex 是一種可以將執行緒進行同步處理的方式，使用 lock 和 unlock 的方式來共享資源使用。

Mutex的方法無法被 ISR (interrupt service routines)所使用。

以下為 Mutex 的示意圖 :

以下為 Mutex 的範例程式 :

#include "mbed.h"
#include "rtos.h"
 
Mutex stdio_mutex;
 
void notify(const char* name, int state) {
    stdio_mutex.lock();
    printf("%s: %d\n\r", name, state);
    stdio_mutex.unlock();
}
 
void test_thread(void const *args) {
    while (true) {
        notify((const char*)args, 0); Thread::wait(1000);
        notify((const char*)args, 1); Thread::wait(1000);
    }
}
 
int main() {
    Thread t2;
    Thread t3;
    t2.start(callback(test_thread, (void *)"Th 2"));
    t3.start(callback(test_thread, (void *)"Th 3"));
 
    test_thread((void *)"Th 1");
}

利用 lock() 來使 stdio 正常運作，並用 unlock()釋放資源。

在 ARM C 標準函式庫內已經存在 Mutex 。主要是可以讓 stdio 進行正常運作，因此以上的範例在實作時並不是必須，除非有些沒有以上保護機制的開發板才需要以上程式碼，如 ARM M0 系列。

正是因為 ARM C 標準函式庫在使用 stdio 時會使用到 Mutex，所以在 ISR 中變無法使用 printf, putc, getc, malloc 和 new 。

Thread class 中的 wait() function 中間是以毫秒為單位，使用 Thread::wait(1000) 是該 funciotn 下 全部 thread 暫停一秒， t1.wait(500) 是 t1 該物件暫停 0.5 秒。

相關語法請參考 : Mutex。

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Semaphore

Semaphore 可以用來管理多種特定線程使用共享資源 (a pool of shared resources) 的情況。

以下為 Semaphore 的示意圖 :

以下為 Semaphore 的範例程式 :

#include "mbed.h"
#include "rtos.h"
 
Semaphore two_slots(2); //宣告兩執行緒的Semaphore
 
void test_thread(void const *name) {
    while (true) {
        two_slots.wait();
        printf("%s\n\r", (const char*)name);
        Thread::wait(1000);
        two_slots.release();
    }
}
 
int main (void) {
    Thread t2;
    Thread t3;
 
    t2.start(callback(test_thread, (void *)"Th 2"));
    t3.start(callback(test_thread, (void *)"Th 3"));
 
    test_thread((void *)"Th 1");
}

可管理同時要釋放多少資源來處理執行緒。

相關語法請參考 : Semaphore。

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Queue

在資料結構中我們學過 Queue，即是 FIFO (Frist In Frist Out) 的結構，在實作執行緒排程時就會使用到此種結構方式。

以下為 Queue 的示意圖 :

常用指令 :

Queue () //Create and initialise a message Queue . 
Queue< T, queue_sz  >
osStatus put (T *data, uint32_t millisec=0) //Put a message in a Queue ; T : templete
osEvent get (uint32_t millisec=osWaitForever)//Get a message or Wait for a message from a Queue . 

相關語法請參考 : Queue。

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MemoryPool

MemoryPool 是用來定意並管理記憶體空間的程式。混合 Queue 的函式我們可以得到以下範例程式 :

#include "mbed.h"
#include "rtos.h"
 
typedef struct {
    float    voltage;   /* AD result of measured voltage */
    float    current;   /* AD result of measured current */
    uint32_t counter;   /* A counter value               */
} message_t;
 
MemoryPool<message_t, 16> mpool;
Queue<message_t, 16> queue;
 
/* Send Thread */
void send_thread (void) {
    uint32_t i = 0;
    while (true) {
        i++; // fake data update
        message_t *message = mpool.alloc();
        message->voltage = (i * 0.1) * 33; 
        message->current = (i * 0.1) * 11;
        message->counter = i;
        queue.put(message);
        Thread::wait(1000);
    }
}
 
int main (void) {
    Thread thread;
    thread.start(callback(send_thread));
    
    while (true) {
        osEvent evt = queue.get();
        if (evt.status == osEventMessage) {
            message_t *message = (message_t*)evt.value.p;
            printf("\nVoltage: %.2f V\n\r"   , message->voltage);
            printf("Current: %.2f A\n\r"     , message->current);
            printf("Number of cycles: %u\n\r", message->counter);
            
            mpool.free(message);
        }
    }
}

常用指令 :

MemoryPool< T, pool_sz > //Create and Initialize a memory pool. 
MemoryPool ()
T* alloc (void) //Allocate a memory block of type T from a memory pool. 
T* calloc (void) //Allocate a memory block of type T from a memory pool and set memory block to zero.
osStatus free (T *block) //Return an allocated memory block back to a specific memory pool. 

相關語法請參考 : MemoryPool。

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Mail

Mail的功能即是將上述的 Queue 和 Memory pool 功能整合起來。

以下為 Mail 的示意圖 :

以下為 Mail 的範例程式 :

#include "mbed.h"
#include "rtos.h"
 
/* Mail */
typedef struct {
  float    voltage; /* AD result of measured voltage */
  float    current; /* AD result of measured current */
  uint32_t counter; /* A counter value               */
} mail_t;
 
Mail<mail_t, 16> mail_box;
 
void send_thread (void) {
    uint32_t i = 0;
    while (true) {
        i++; // fake data update
        mail_t *mail = mail_box.alloc();
        mail->voltage = (i * 0.1) * 33; 
        mail->current = (i * 0.1) * 11;
        mail->counter = i;
        mail_box.put(mail);
        Thread::wait(1000);
    }
}
 
int main (void) {
    Thread thread;
    thread.start(callback(send_thread));
    
    while (true) {
        osEvent evt = mail_box.get();
        if (evt.status == osEventMail) {
            mail_t *mail = (mail_t*)evt.value.p;
            printf("\nVoltage: %.2f V\n\r"   , mail->voltage);
            printf("Current: %.2f A\n\r"     , mail->current);
            printf("Number of cycles: %u\n\r", mail->counter);
            
            mail_box.free(mail);
        }
    }
}

常用指令 :

 Mail< T, queue_sz > 	//Create and Initialise Mail queue.
 Mail ()
 T *alloc (uint32_t millisec=0) //Allocate a memory block of type T. 
 T *calloc (uint32_t millisec=0) //Allocate a memory block of type T and set memory block to zero.
osStatus put (T *mptr) //Put a mail in the queue. 
osEvent get (uint32_t millisec=osWaitForever) //Get a mail from a queue. 
osStatus free (T *mptr) //Free a memory block from a mai

相關語法請參考 : Mail。

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Status and Error Codes

The Status and Error Codes section lists all the return values that the CMSIS-RTOS functions will return:

CMSIS-RTOS 是 ARM 公司為統一操作系統、降低嵌入式門檻而發佈的操作系統標準軟件接口。通俗講，CMSIS-RTOS 將操作系統（不管是 FREE-RTOS 還是 RTX 等）屏蔽起來，然後提供 CMSIS-RTOS 接口函數給最終用户調用。

• osOK : function completed ; no event occurred.
• osEventSignal : function completed; signal event occurred.
• osEventMessage : function completed; message event occurred.
• osEventMail : function completed; mail event occurred.
• osEventTimeout : function completed; timeout occurred.
• osErrorParameter : parameter error: a mandatory parameter was missing or specified an incorrect object.
• osErrorResource : resource not available: a specified resource was not available.
• osErrorTimeoutResource : resource not available within given time : a specified resource was not available within the timeout period.
• osErrorISR : not allowed in ISR context: the function cannot be called from interrupt service routines.
• osErrorISRRecursive : function called multiple times from ISR with same object.
• osErrorPriority : system cannot determine priority or thread has illegal priority.
• osErrorNoMemory : system is out of memory: it was impossible to allocate or reserve memory for the operation.
• osErrorValue : value of a parameter is out of range.
• osErrorOS : unspecified RTOS error: run-time error but no other error message fits.

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※ 使用thread.terminate();使thread停止

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Lab 1

請利用上述 RTOS 中的 Thread & Semaphore & Mutex來完成以下功能：

1. 每隔１秒亮一顆開發板上之LED，總共３顆輪流。
2. 當開發板上 Button 按下後，改變為 Semaphore的狀態，Semaphore 觸發內容為每隔１秒亮兩顆開發版上之LED。
3. 再按一次開發板上的 Button 後，改變為 Mutex的狀態，每隔１秒閃爍開發版上所有LED。
4. 最後再按一次Button回歸每隔１秒亮一顆LED的狀態。

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Lab 2

請利用上述 RTOS 中的 Mail 實現可繼續計時的碼表。 ※使用Thread::wait()計時

1. 輸入"s" ： 開始計時(最小單位為1/100秒)。
2. 輸入"p" ： 顯示計時的秒數。
3. 輸入" r "：將計時至今的秒數清空
   

課後問題

• Q1.請詳述 Thread 在 Mbed 平台中是如何運作的。
• Q2.請嘗試解釋 Mbed 平台 API 中， wait() 與 Thread::wait() 之間的差別。