HRTOS 示例 - 信号量机制 | HRTOS Communication Model

Principle

原理说明

信号量是 RTOS 任务同步的核心机制

信号量（Semaphore）是一种用于任务同步和资源管理的同步原语。通过计数机制控制对共享资源的并发访问，当资源不足时任务会阻塞等待，当资源释放时会唤醒等待的任务，实现任务间的协作与调度联动。

机制定义： Semaphore = 资源计数 + 阻塞队列 + 唤醒机制 + 调度联动

资源计数

信号量维护一个计数器，表示可用资源的数量。初始化时设置初始值，wait 操作减少计数，post 操作增加计数。

阻塞队列

当计数为 0 时，申请资源的任务会被放入阻塞队列等待。阻塞队列维护所有等待该信号量的任务状态。

唤醒机制

当资源释放（post）时，信号量会从阻塞队列中选择一个任务唤醒。被唤醒的任务重新进入就绪队列，等待调度器执行。

调度联动

信号量的阻塞和唤醒操作会触发任务调度。任务阻塞时调度器选择其他就绪任务执行，唤醒时可能触发优先级调度。

系统关系模型： Task → Semaphore → Scheduler → Task

HRTOS Implementation

HRTOS 实现机制

HRTOS 如何实现信号量同步

在 HRTOS 中，信号量的实现围绕资源计数、阻塞队列、唤醒机制和调度联动四个核心环节展开。每个环节都经过精心设计，确保同步机制的高效性和可靠性。

申请资源（os_sem_wait）

检查计数：计数 > 0 则获取成功，计数减 1

阻塞等待：计数 = 0 时任务进入阻塞队列

状态转换：任务从 Running 状态进入 Blocked 状态

调度触发：阻塞时触发调度器选择其他任务

任务阻塞

队列管理：任务加入信号量的等待队列

状态保存：保存任务上下文到任务栈

超时支持：支持带超时的等待操作

优先级维护：阻塞队列按优先级排序

释放资源（os_sem_post）

计数增加：信号量计数加 1

唤醒检查：检查是否有等待任务

任务唤醒：从等待队列中选择任务唤醒

调度触发：唤醒时可能触发任务调度

任务恢复

状态转换：任务从 Blocked 状态进入 Ready 状态

就绪队列：任务加入就绪队列等待调度

优先级调度：根据任务优先级决定执行顺序

上下文恢复：调度器选择时恢复任务执行

Workflow

工作流程

信号量从初始化到任务同步的完整执行路径

1初始化信号量：hrtos_main 中调用 os_sem_init 设置初始资源数量

2任务创建：创建生产者任务和消费者任务，进入 Ready 状态

3生产者运行：生产者任务执行 os_sem_post 释放资源

4消费者等待：消费者任务调用 os_sem_wait 等待资源

5阻塞与唤醒：资源不足时阻塞，资源释放时唤醒等待任务

hrtos_main → os_sem_init → os_task_create → 生产者运行 → os_sem_post → 消费者等待 → os_sem_wait → 阻塞/唤醒 → 任务恢复 → 调度执行

Core Code

核心代码

信号量同步的完整实现

生产者与消费者任务

task_A 生产者任务和 task_B 消费者任务，通过信号量实现同步

#include "hrtos.h"

#define SEM_ID 0

sbit LED_PRODUCER = P1^0;
sbit LED_CONSUMER = P1^1;
sbit LED_SEM      = P1^2;   // semaphore state indicator

/* 生产者任务 */
void task_A(void)
{
    while(1)
    {
        os_delay(2);

        os_sem_post(SEM_ID);

        LED_PRODUCER = ~LED_PRODUCER;  // 生产节奏闪烁

        LED_SEM = 1;   // 表示资源"被释放/可用"
    }
}

/* 消费者任务 */
void task_B(void)
{
    while(1)
    {
        /* 等待资源 */
        if(os_sem_wait(SEM_ID))
        {
            /* 获取资源成功 */
            LED_CONSUMER = ~LED_CONSUMER;  // 消费节奏

            LED_SEM = 0;   // 表示资源被消耗

            /* 模拟处理 */
            os_delay(1);
        }

        os_delay(1);
    }
}

系统初始化与任务创建

hrtos_main 函数，初始化信号量并创建生产者和消费者任务

/* 系统入口 */
void hrtos_main(void)
{
    LED_PRODUCER = 0;
    LED_CONSUMER = 0;
    LED_SEM = 0;

    os_sem_init(SEM_ID, 0);

    os_task_create((unsigned int)task_A, 1, 3, 5);
    os_task_create((unsigned int)task_B, 2, 2, 5);
}

Expected Result

运行结果

示例执行后的预期行为

LED 状态 LED_PRODUCER 和 LED_CONSUMER 按生产消费节奏交替变化，LED_SEM 指示资源状态

任务同步 生产者释放资源后，消费者才能获取资源，实现任务间同步

阻塞唤醒 资源不足时消费者阻塞，资源释放后消费者被唤醒并恢复执行

系统本质： 本示例的核心不是 LED，而是验证 HRTOS 中信号量的阻塞与唤醒机制，实现任务间的同步协作。

Important Notes

注意事项

使用本示例时需要关注的关键点

信号量与互斥锁的区别

信号量用于任务同步和资源计数，可以跨多个任务使用；互斥锁用于保护共享资源，具有优先级继承机制，主要用于互斥访问。本示例展示的是信号量的同步功能。

初始计数值设置

本示例中信号量初始值为 0，表示初始无资源，消费者需要等待生产者释放资源。如果初始值 > 0，则表示初始有可用资源，消费者可以直接获取。

任务优先级设置

生产者任务优先级为 3，消费者任务优先级为 2。优先级设置影响任务调度顺序，需要根据实际应用场景合理配置。

阻塞队列管理

当多个任务等待同一个信号量时，阻塞队列按任务优先级排序。资源释放时，优先唤醒高优先级的等待任务，确保系统的实时性。

信号量机制

示例目标

核心机制