多线程-RGB_LED闪烁灯

Posted 2021-07-16 Albert Nie

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了多线程-RGB_LED闪烁灯相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

线程

线程概念

In CMSIS-RTOS2, the basic unit of execution is a “Thread”. A Thread is very similar to a ‘C’ procedure but has some very fundamental （根本的）differences. An RTOS program is made up of a number of threads, which are controlled by the RTOS scheduler.

线程是程序执行的基本单元。我们可以将程序分解为多个功能相对独立的子任务（类似C函数模块化调用），然后为每个子任务分配一个线程，而RTOS负责子任务之间的调度，从而实现多线程的"并行"，提高程序的实时性和效率。

unsigned int procedure(void){   // C function
   ...
   return (ch);
}

void thread(void* arg){        // thread
    while(1){
      ...  
    }
}

线程调度

问题来了，scheduler是如何进行线程调度的？。其实很简单，scheduler以SysTick产生的周期性中断作为时基，给每个线程分配一个时间片（相当于分配多少个sysTick），当某个线程的时间片用完了，就阻塞该线程，而调度另一个就绪线程执行。那SysTick是什么？我们知道微处理器上面有很多时序电路，所以我们经常会用到石英晶振来产生稳定的时钟信号。一个时钟周期就是一个SysTick，它一般是一个很精准的固定量，比如对于8MHz的晶振,其时钟周期是 $1 / 8 M H z = 0.125 u s$ ，即SysTick = 0.125us。

线程管理

When a thread is created, it is also allocated its own thread ID. This is a variable which acts as a handle for each thread and is used when we want to manage the activity of the thread.

每个线程都有一个id，我们可以通过这个id来管理线程。

osThreadId id1,id2,id3;  // 线程id

线程切换

当线程切换时，kernel会将当前线程的所有变量状态保存到该线程的栈中，同时将该线程的运行信息保存到线程控制块中，然后执行另外一个线程。

线程通常有三种状态：运行态、就绪态、阻塞态。

在这里插入图片描述

大致了解这么多吧~，详细可以看操作系统相关的书籍。

RTX Thread API

操作系统的一大优点就是：抽象。它将底层的硬件资源抽象成一组接口，然后用户便可以直接在这些接口上进行开发。这样既提高了开发效率，也降低了开发门槛。CMSIS-RTX5 提供了线程的创建、删除等接口，主要包括如下：

osTreadId_t ：定义线程的ID

osThreadAttr_t: 定义线程属性结构体

osThreadNew: 创建线程

osThreadExit：线程退出

实验：RGB灯闪烁

功能：通过三个线程分别控制RGB LED 灯的三个灯的亮灭，从而实现颜色的合成。

硬件：stm32f103zet6

软件：keil MKD5.23,CMSIS-RTX5

准备

（一）系统移植
（二）修改配置

【系统移植】请参考:RTX系统移植，具体根据硬件平台，比如GPIO等。

【修改配置】配置用户线程数量，keil MDK默认1个用户线程，所以我们需要修改，笔者修改为10。另外，有需要也可以配置线程的栈空间大小。

在这里插入图片描述

配置线程

创建线程ID
创建线程函数和线程属性结构体
创建线程

【创建线程ID】

创建三个线程，分别表示红、绿、蓝三个线程ID。

osThreadId_t red_led,green_led,blue_led;

【创建线程函数和线程属性结构体】

这里以线程red_led为例，其他两个类似。首先，我们来看线程创建函数osThreadNew，其函数原型为：

osThreadId_t  osThreadNew(osThreadFunc_t func,void* argument,const osThreadAttr_t* attr)

该函数有三个参数：

func: 线程名字
argument: 线程函数的参数
attr: 线程的属性配置，包括线程函数名，栈大小，优先级等等。

返回值

osThreadId_t: 表示该线程的ID号。

所以，在创建线程之前，我们需要先定义：func和attr

 // 线程函数一：红灯
 void redLight(void* arg){
	  while(1){
			LED1(ON);        // 声明在bsp_led.h中
			osDelay(100);    // RTX 提供的延时函数，这里延时100个SysTick
			LED1(OFF);
			osDelay(100);
		}
 }

线程函数就是一般的函数形式，唯一注意的是两点：函数内包含while(1)死循环，以及参数为void*。重点说一下线程属性结构体attr。

类型	数据成员	描述
`const char*`	`name`	线程名
`uint32_t`	`attr_bits`	\\ 不关心 ~
`void*`	`cb_mem`	线程控制块起始地址，默认`NULL`为动态分配
`uint32_t`	`cb_size`	线程控制块大小，默认`NULL`为`0`
`void*`	`stack_mem`	线程栈起始地址，默认`NULL`为使用定长内存池
`uint32_t`	`stack_size`	线程栈大小，默认`NULL`为`0`
`osPriority_t`	`priority`	线程优先级，默认`osPriorityNormal`
`TZ__ModuleId_t`	`tz_module`	安全区标志，默认`0`
`uint32_t`	`reserved`	保留位，必须是`0`

一共9个，好多参数啊~，其实不必担心，我们常用的可能就name和Priority，其余的默认就好。所以，就有如下这种简易表示法。

// 线程一属性结构体
 static const osThreadAttr_t threadAttr_LED1 = {
	 .name = "redLight",
 };

不过要使用这种方式，keil必须支持c99，如下：

在这里插入图片描述

这里再谈一下app_main，这个线程是CMSIS-RTX5提供的，相当于一个启动线程。它的任务就是创建用户需要的线程，完成使命后就退出。

void app_main (void *arg) {
	...
}
 // 线程结构体参数，使用默认
static const osThreadAttr_t threadAttr_app_main = {  
	"app_main",
	NULL,
	NULL,
	NULL,
	NULL,
	NULL,
	osPriorityNormal,
	NULL,
	NULL
};

这里的线程属性结构体用的直接初始化的形式，主要是为了知道有这种方式，其实不用写也没关系，创建线程时直接传入NULL，使用默认值即可。

osThreadNew(app_main, NULL, NULL);    // 直接传NULL

【创建线程】

搞定了func和attr，就可以创建线程啦~，我们直接在app_main中创建三个线程。

void app_main (void *arg) {
	// initialize
    LED_GPIO_Config();
	
	// create three threads
	red_led = osThreadNew(redLight,NULL,&threadAttr_LED1);  // 也可用NULL默认属性结构体
	green_led = osThreadNew(greenLight,NULL,&threadAttr_LED2);
	blue_led = osThreadNew(blueLight,NULL,&threadAttr_LED3);
	
	// complete task,exit!
    osThreadExit();
}

完整代码：

main.c

/*----------------------------------------------------------------------------
 * CMSIS-RTOS 'main' function template
 *---------------------------------------------------------------------------*/
#include "RTE_Components.h"
#include  CMSIS_device_header
#include "cmsis_os2.h"
#include "bsp_led.h"
 
#ifdef RTE_Compiler_EventRecorder
#include "EventRecorder.h"
#endif
 
// Thread Information
osThreadId_t red_led,green_led,blue_led;
/*----------------------------------------------------------------------------
 * Task thread
 *---------------------------------------------------------------------------*/
 // 红灯
 void redLight(void* arg){
	  while(1){
			LED1(ON);
			osDelay(100);
			LED1(OFF);
			osDelay(100);
		}
 } 

 static const osThreadAttr_t threadAttr_LED1 = {
	 .name = "redLight",
 };
 
 // 绿灯
  void greenLight(void* arg){
	  while(1){
			LED2(ON);
			osDelay(100);
			LED2(OFF);
			osDelay(100);
		}
 }
 
 static const osThreadAttr_t threadAttr_LED2 = {
	 .name = "greenLight",
 };
 // 蓝灯
  void blueLight(void* arg){
	  while(1){
			LED3(ON);
			osDelay(100);
			LED3(OFF);
			osDelay(100);
		}
 }
 static const osThreadAttr_t threadAttr_LED3 = {
	 .name = "blueLight",
 };

/*----------------------------------------------------------------------------
 * main thread
 *---------------------------------------------------------------------------*/
void app_main (void *arg) {
	// initialize
    LED_GPIO_Config();
	// create three threads
	red_led = osThreadNew(redLight,NULL,&threadAttr_LED1);  // 也可用NULL默认属性结构体
	green_led = osThreadNew(greenLight,NULL,&threadAttr_LED2);
	blue_led = osThreadNew(blueLight,NULL,&threadAttr_LED3);
	
	// exit
  osThreadExit();
}
 // 线程参数，使用默认
static const osThreadAttr_t threadAttr_app_main = {  
	"app_main",
	NULL,
	NULL,
	NULL,
	NULL,
	NULL,
	osPriorityNormal,
	NULL,
	NULL
};

int main (void) {
  // System Initialization
  SystemCoreClockUpdate();
#ifdef RTE_Compiler_EventRecorder
  // Initialize and start Event Recorder
  EventRecorderInitialize(EventRecordError, 1U);
#endif
  osKernelInitialize();                 // Initialize CMSIS-RTOS
  osThreadNew(app_main, NULL, &threadAttr_app_main);    // Create application main thread
  osKernelStart();                      // Start thread execution
  for (;;) {}
}

RGB_LED电路图
有些小伙伴，可能不理解RGB_LED,这里贴个图。

在这里插入图片描述
其实就是三个LED灯，集成在一起，管脚配置就不需要我介绍了吧，各位这么聪明~

编译运行

编译配置请看：RTX系统移植

我们来预料实现效果：我们创建了三个线程，分别点闪烁RGB_LED等的红绿蓝三个灯，由于线程是“并行”的，那么根据三原色的合成，最后RGB_LED灯应该是白光闪烁。

看看具体效果：

看见那个白闪闪的大灯了嘛，还不错哦，和预期一样。说明操作系统确实跑起来了，且三个线程正常工作~

在这里插入图片描述

其他

线程还有其他知识点，比如mutiple instances和joinable threads。

multiple instances(多个实例)

我们知道，线程创建函数为：

osThreadId_t  osThreadNew(osThreadFunc_t func,void* argument,const osThreadAttr_t* attr);

多个实例的本质就是基于同一个线程函数func来创建多个线程实例，RTX根据参数argument来分配不同的线程ID。

比如，上面LED闪烁灯实验，三个线程函数都基本相同，只是LED号不同而已，所以我们可以将LED号传给参数argument，从而只需一个线程函数，便实现三个线程实例。

 // base func
 void Light(void* arg)
{
	  while(1){
	       switch((int)arg)
	       {
	          case 1:{
	             LED1(ON);
			     osDelay(100);
			     LED1(OFF);
			     osDelay(100);
	             break;
	          }
	          case 2:{
	             LED2(ON);
			     osDelay(100);
			     LED2(OFF);
			     osDelay(100);
	             break;
	          }
	          case 3:{
	             LED3(ON);
			     osDelay(100);
			     LED3(OFF);
			     osDelay(100);
	             break;
	          }
	       }	
		}
 }

线程属性结构体不变，这时创建三个线程可以这样：

// 定义参数指针
#define red (void*)1
#define green (void*)2
#define blue (void*)3

// create three threads
red_led = osThreadNew(Light,red,&threadAttr_LED1);  // 也可用NULL默认属性结构体
green_led = osThreadNew(Light,green,&threadAttr_LED2);
blue_led = osThreadNew(Light,blue,&threadAttr_LED3);

编译后，下载到开发板运行效果是一样的。

joinable Thread(可接合线程)

额，先不管翻译的恰当与否，最重要的是，啥是可接合线程？

a second thread can join it by calling osThreadJoin(). This will cause the second thread to deschedule and remain in a waiting state until the thread which has been joined is terminated.

比如你正在看电视（线程A），这时候你妹来了，说要用你的电脑处理一个word文档（线程B）。由于是你妹，你当然选择接受了（线程B is joinable）。当然，这时候你就不能继续看电视了（线程A等待），直到你妹处理完word（线程B）结束，然后你才可以继续看电视（线程A恢复）。这里可接合线程就是指的线程B。可接合线程的设置在线程属性结构体中设置，也就是之前我们不关心的那个属性attr_bits。

static const osThreadAttr_t ThreadAttr_thread_joinable = {
        .attr_bits = osThreadJoinable,
};

当在某个线程中调用osThreadJoin()后，该线程就会等待，直到可接合线程退出为止。

osThreadJoin(<joinable_thread_handle>); // 函数原型

结合前面的例子，我们可以让red light 变成 joinable thread，然后在light线程中调用osThreadJoin()。

首先，这里设置red light的属性，使其 joinable

 static const osThreadAttr_t threadAttr_LED1 = {
	 .name = "redLight",
	 .attr_bits =  osThreadJoinable,
 };

然后还需要单独对线程函数做一下改变

 // 红灯
 void redLight(void* arg)
{
	  while(1){
			LED1(ON);
			osDelay(100);
			LED1(OFF);
			osDelay(100);
		}
 }

// base func
 void Light(void* arg)
{
	  while(1){
	       switch((int)arg)
	       {
			  default:
                red_led = osThreadNew(redLight,red,&threadAttr_LED1); 
				osThreadJoin(red_led);   // 调用osThreadJoin()
	          case 2:{   // 红 + 绿
	                 LED2(ON);
			         osDelay(100);
			         LED2(OFF);
			         osDelay(100);
	                 break;
	          }
	          case 3:{  // 红 + 蓝
	                 LED3(ON);
			         osDelay(100);
			         LED3(OFF);
			         osDelay(100);
	                 break;
	          }
	       }	
		}
 }

最后修改线程创建函数

// create three threads
green_led = osThreadNew(Light,green,&threadAttr_LED2);
blue_led = osThreadNew(Light,blue,&threadAttr_LED3);

joinable threads主要用于临时创建一个线程，用来处理一些事情，然后结束任务，主线程继续执行。

嗯大致就是这些~

小结

本文主要针对线程的概念，创建和编写做了简要介绍，最后基于一个具体的多线程RGB_LED灯的例子，让大家更直观理解多线程是如何工作和实现的。

重点

线程的概念
线程的创建，使用，和删除
多实例和可接合线程

希望对大家有所帮助，有不懂或者纠错的欢迎留言~，谢谢！

参考资料

☞官方tutorial

以上是关于多线程-RGB_LED闪烁灯的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

编制一个循环闪烁灯的程序，每次其中某个灯闪烁10次后，转到下一个闪烁10次，循环不止（用汇编语言编制）

多线程-RGB_LED闪烁灯

目录

线程

RTX Thread API

实验：RGB灯闪烁

准备

配置线程

编译运行

其他

multiple instances(多个实例)

joinable Thread(可接合线程)

小结

参考资料