freertos（第七课，semaphore, mutex, msg queue）

freertos是一个多进程操作系统。
多进程的一个重要控制，就是进程同步。
大多数的OS，都会基于PV操作完成进程同步。
基于EVENT的进程同步，
event在OS中，被表示为一个结构体对象，最简单的情况下，只有一个数据成员。
需要同步的进程，分别向OS申请P操作或者申请V操作，并告知OS，所锚定的event对象。
OS检查event的状态，并对发出申请的进程执行相应的状态切换。
申请P操作的进程，将被OS尝试阻塞，如果event状态允许进程继续执行，则不阻塞，而允许进程继续执行。如果event状态不允许进程继续执行，则进程被OS阻塞。
申请V操作的进程，将使OS尝试唤醒被阻塞到event上的进程。
可以看出，申请P操作的进程，会对自身的状态产生影响。申请V操作的进程，则会对其他的进程的状态产生影响。
在协作模型中，下游总是需要等待上游完成，所以，下游等待，上游唤醒。
在生产者消费者协作模型中，消费者总是需要等待生产者完成。所以，消费者等待，生产者和唤醒。

互斥是进程同步的一个特例。
在这个协作模型中，进程自己首先是消费者，然后自己又是生产者。
由于令牌模型更符合互斥的场景，所以通常用令牌模型来描述互斥。
进程首先要获得一个令牌，用完之后，再将令牌归还。其他进程如果没有获得令牌，则需要等待。当令牌被一个进程归还之后，OS会唤醒其他正在等待令牌的进程。

ISR和TASK的同步，是常见的场景。
ISR生产event,而TASK则消费event。

freertos提供了一系列的sem API。

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);
SemaphoreHandle_t 
xSemaphoreCreateCounting(
		UBaseType_t uxMaxCount, 
		UBaseType_t uxInitialCount
		);

UBaseType_t uxSemaphoreGetCount(xSemaphore);


BaseType_t xSemaphoreGive(xSemaphore);
BaseType_t 
xSemaphoreGiveFromISR(
		xSemaphore, 
		BaseType_t* pxHigherPriorityTaskWoken
		);

BaseType_t xSemaphoreTake(xSemaphore, TickType_t xBlockTime);
BaseType_t
xSemaphoreTakeFromISR(
		xSemaphore, 
		BaseType_t* pxHigherPriorityTaskWoken
		);

二值信号量，一般用于进程同步，或者ISR和TASK的同步。
计数信号量，一般用于共享资源的缓冲区统计。
互斥量，一般用于共享资源的独立访问。

信号量在RTOS中，会引起优先级反转问题。
当低优先级任务获取信号量后，如果高优先级任务也需要这个信号量，则需要被阻塞，最终，实际上高优先级任务被降低到更低的级别了。
解决办法就是互斥量。
当任务获取一个互斥量时，它的优先级会被OS暂时提高到和所有等待该互斥量的任务中的最高优先级。从而保证了，任务在互斥访问时，不会被抢占。
当任务归还互斥量时，优先级会被OS恢复到之前的级别。
这被称为优先级继承。
优先级继承不能解决优先级反转，但是能够将危害降到最低。

freertos提供了一系列的API。

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex(void);
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex(void);

BaseType_t xSemaphoreTake(xSemaphore, TickType_t xBlockTime);
BaseType_t xSemaphoreGive(xSemaphore);

BaseType_t xSemaphoreTakeRecursive(xSemaphore, TickType_t xBlockTime);
BaseType_t xSemaphoreGiveRecursive(xSemaphore);

信号量和互斥量，只能用于进程间的同步，并不能传递更多的数据。
freertos，提供了msgqueue，用来在实现进程同步的同时，传递数据。

进程间通信，或者ISR和TASK之间通信，如果没有msgqueue，则只能通过全局变量来进行，但是这有个问题，就是资源管理的问题。
freertos，提供了msgqueue来替代全局变量传递数据。
当消息被填充到msgqueue中时，是复制了一个副本的，这样做的代价是，数据复制的CPU时间消耗，但是带来的好处是，数据存放在专属位置，与原始缓冲区无关。如果向将原始缓冲区传递给其他进程，则只需要将缓冲区的指针发送到消息队列中即可。队列中只需要存放指针副本，节省了空间。
msgqueue是OS的公共资源，它不属于某个特定的进程，任何进程都可以向队列发送消息，或者提取消息。

以下，将消息队列简称为队列，freertos中，也是简称为Queue的。
进程向OS申请队列服务时，实际上也同时向OS申请了POV操作（P-Operating-V）。
即，首先是OS判断是否执行P操作，如果进程没有被阻塞，才会继续执行数据复制的操作。在数据复制完成后，OS会执行V操作，将阻塞的其他进程唤醒。
在发送方向上，
当进程向OS申请发送消息时，OS首先会尝试阻塞进程，如果队列缓冲区有空闲位置，则不阻塞进程，允许进程继续执行后续的数据复制操作。在执行完后，OS会唤醒WAITFORRECEIVELIST中的一个进程，让它能够取走队列中的消息。
如果队列缓冲区满，则阻塞进程，将进程插入WAITFORSENDLIST中。
在接收方向上，
当进程向OS申请接收消息时，OS首先会尝试阻塞进程，如果队列缓冲区中有消息，则不阻塞进程，允许进程继续执行后续的数据复制操作。在执行完成后，OS会唤醒WAITFORSENDLIST中的一个进程，让它能够填充队列中的空闲位置。
如果队列缓冲区空，则阻塞进程，将进程插入WAITFORRECEIVELIST中。

freertos提供了一系列API。

QueueHandle_t 
xQueueCreate(
		UBaseType_t uxQueueLength,
		UBaseType_t uxItemSize
		);
void vQueueDelete(QueueHandle_t xQueue);


BaseType_t 
xQueueSend(
		QueueHandle_t xQueue,
		const void* pvItemToQueue,
		TickType_t xTicksToWait
		);

BaseType_t 
xQueueSendToFront(
		QueueHandle_t xQueue,
		const void* pvItemToQueue,
		TickType_t xTicksToWait
		);

BaseType_t 
xQueueOverwrite(
		QueueHandle_t xQueue,
		const void* pvItemToQueue
		);
		
BaseType_t 
xQueueSendFromISR(
		QueueHandle_t xQueue,
		const void* pvItemToQueue,
		BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken
		);
		
BaseType_t 
xQueueSendToFrontFromISR(
		QueueHandle_t xQueue,
		const void* pvItemToQueue,
		BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken
		);
		
BaseType_t 
xQueueOverwriteFromISR(
		QueueHandle_t xQueue,
		const void* pvItemToQueue,
		BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken,
		);

BaseType_t 
xQueueReceive(
		QueueHandle_t xQueue,
		void* pvBuffer,
		TickType_t xTicksToWait
		);

BaseType_t 
xQueuePeek(
		QueueHandle_t xQueue,
		void* pvBuffer,
		TickType_t xTicksToWait
		);

BaseType_t 
xQueueReceiveFromISR(
		QueueHandle_t xQueue,
		void* pvBuffer,
		BaseType_t* pxTaskWoken
		);
		
BaseType_t 
xQueuePeekFromISR(
		QueueHandle_t xQueue,
		void* pvBuffer,
		BaseType_t* pxTaskWoken
		);

队列如果是FIFO方式，那么就使用send,如果是LIFO方式，那么就使用sendtofront。
通常在使用时，由多个进程或者ISR向同一个队列中发送消息，而只有一个进程从队列中接收消息，并依次处理。