灵动微课堂 ｜使用MM32F3270基于Azure RTOS信号量的应用
灵动微课堂 ｜使用MM32F3270基于Azure RTOS信号量的应用简 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
MM32F3270MM32F3273G9PEVB-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、I2C4 x Key、4 x LEDI2S SpeakerTF-CardEthernet 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=f7ab4ff3afa011ec90a79366a52034fa&activetab=pivot1:primaryr11Microsoft 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。2Threadx 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。
2.2Azure Threadx 信号量的相关函数tx_semaphore_create 创建计数信号灯UINT tx_semaphore_create(
TX_SEMAPHORE *semaphore_ptr,
CHAR *name_ptr,
ULONG initial_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_SEMAPHORE my_semaphore;
UINT status;
/* Create a counting semaphore whose initial value is 1.
This is typically the technique used to make a binary
semaphore. Binary semaphores are used to provide
protection over a common resource. */
status = tx_semaphore_create(&my_semaphore,
"my_semaphore_name", 1);
/* If status equals TX_SUCCESS, my_semaphore is ready for
use. */
另请参阅tx_semaphore_ceiling_puttx_semaphore_deletetx_semaphore_gettx_semaphore_info_gettx_semaphore_performance_info_gettx_semaphore_performance_system_info_gettx_semaphore_prioritizetx_semaphore_puttx_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
3Threadx 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/* This is a small demo of the high-performance ThreadX kernel.It includes examples of six
threads of different priorities, using a message queue, semaphore, and an event flags group.*/
#include "tx_api.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "uart.h"
#define DEMO_STACK_SIZE 1024
#define THREAD0_PRIORITY 1
#define THREAD0_PREEMPTION_THRESHOLD 1
#define THREAD1_PRIORITY 2
#define THREAD1_PREEMPTION_THRESHOLD 2
#define THREAD5_PRIORITY 4
#define THREAD5_PREEMPTION_THRESHOLD 4
//#define THREAD5_PREEMPTION_THRESHOLD_NEW 0
/* Define the ThreadX object control blocks...*/
TX_THREAD thread_0;
TX_THREAD thread_1;
TX_THREAD thread_5;
TX_SEMAPHORE Semaphore;
/* Define the counters used in the demo application...*/
ULONG thread_0_counter;
ULONG thread_1_counter;
ULONG thread_5_counter;
/* Define the thread stacks.*/
UCHAR thread_0_stack;
UCHAR thread_1_stack;
UCHAR thread_5_stack;
/* Define thread prototypes.*/
void thread_0_entry(ULONG thread_input);
void thread_1_entry(ULONG thread_input);
void thread_5_entry(ULONG thread_input);
volatile unsigned int bootloop;
/* Define main entry point.*/
int main()
{
DELAY_Init();//can not use systick
LED_Init();
KEY_Init();
CONSOLE_Init(115200);
printf("!!! Start !!!\r\n");
/* Enter the ThreadX kernel.*/
tx_kernel_enter();
}
/* Define what the initial system looks like.*/
void tx_application_define(void* first_unused_memory)
{
/* Create thread 0.*/
tx_thread_create(
&thread_0,
"thread 0",
thread_0_entry,
0,
thread_0_stack,
DEMO_STACK_SIZE,
THREAD0_PRIORITY,
THREAD0_PREEMPTION_THRESHOLD,
TX_NO_TIME_SLICE,
TX_AUTO_START);
/* Create thread 1.*/
tx_thread_create(
&thread_1,
"thread 1",
thread_1_entry,
0,
thread_1_stack,
DEMO_STACK_SIZE,
THREAD1_PRIORITY,
THREAD1_PREEMPTION_THRESHOLD,
TX_NO_TIME_SLICE,
TX_AUTO_START);
/* Create thread 5. */
tx_thread_create(
&thread_5,
"thread 5",
thread_5_entry,
5,
thread_5_stack,
DEMO_STACK_SIZE,
THREAD5_PRIORITY,
THREAD5_PREEMPTION_THRESHOLD,
TX_NO_TIME_SLICE,
TX_AUTO_START);
/* Create a semaphore for signal synchronization */
tx_semaphore_create(&Semaphore, "Semaphore", 0);
}
/* Define the test threads.*/
void thread_0_entry(ULONG thread_input)
{
/* This thread simply controls LED flashing to indicate that the system is running*/
while(1)
{
/* Increment the thread counter.*/
thread_0_counter++;
LED1_TOGGLE();
/* Sleep for 200 ticks.*/
tx_thread_sleep(200);
}
}
void thread_1_entry(ULONG thread_input)
{
UINT status;
/* This thread simply successfully receives the semaphore and starts to print information*/
while(1)
{
/* Increment the thread counter.*/
thread_1_counter++;
status = tx_semaphore_get(&Semaphore, TX_WAIT_FOREVER);
if(status == TX_SUCCESS)
{
/* Receive the semaphore */
printf("Synchronization semaphore received\r\n");
}
}
}
void thread_5_entry(ULONG thread_input)
{
UCHAR t = 0;
/* This thread simply scan button is pressed to send the semaphore.*/
while(1)
{
/* Increment the thread counter.*/
thread_5_counter++;
t = KEY_Scan(0);
if(KEY1_PRES == t)
{
LED1_TOGGLE();
}
else if(KEY2_PRES == t) {
LED2_TOGGLE();
/* K2 is pressed to send a semaphore */
tx_semaphore_put(&Semaphore);
}
else if(KEY3_PRES == t) {
LED3_TOGGLE();
}
else if(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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