1、精選優質文檔-傾情為你奉上嵌入式實驗報告學院： xxx 班級： xxx 學號： xxx 姓名： xxx 成員： xxx 一、 基礎知識部分1. 多線程實驗本章主要講解線程的概念和線程間的同步方式。實驗一主要介紹線程的概念和線程的創建，實驗二、實驗三、實驗四分別介紹了信號量、互斥鎖、條件變量的作用和使用。1.1 線程的介紹線程，有時被稱為輕量級進程(Lightweight Process，LWP），是程序執行流的最小單元。線程是程序中一個單一的順序控制流程。進程內一個相對獨立的、可調度的執行單元，是系統獨立調度和分派CPU的基本單位指運行中的程序的調度單位。在單個程序中同時運行多個線程完成不同的

2、工作，稱為多線程。線程是允許應用程序并發執行多個任務的一種機制，是程序運行后的任務處理單元，也是SylixOS操作系統任務調度的最小單元。在多核CPU中，同時可以有多個線程在執行，實現真正意義上的并行處理。線程入口函數是一個能夠完成特定任務的函數，因此線程入口函數的編寫上與普通函數沒有太多區別。線程的創建函數如下： l 創建線程失敗，函數返回非0的錯誤代碼，成功返回0；l *thread pthread_t類型的緩沖區，保存一個線程的線程ID；l *attr 設置線程屬性，設置為NULL標識創建的新線程使用默認屬性；l *(*start_routine) 線程入口函數函數名 l *arg向所創

3、建線程傳入的參數1.2 信號量的概念信號量(Semaphore)，有時被稱為信號燈，是在多線程環境下使用的一種設施，是可以用來保證兩個或多個關鍵代碼段不被并發調用。在進入一個關鍵代碼段之前，線程必須獲取一個信號量；一旦該關鍵代碼段完成了，那么該線程必須釋放信號量。其它想進入該關鍵代碼段的線程必須等待直到第一個線程釋放信號量。信號量是一個在進程和線程中都可以使用的同步機制。信號量類似于一個通知，某個線程發出一個通知，等待此通知的線程收到通知后，會執行預先設置的工作。當接收通知的線程沒有收到通知前，會處于阻塞狀態。信號量可以連續發送多次，處理線程同樣也會處理多次。信號量實質是一個計數器，信號量發送

4、一次，計數值增加1，信號量每獲取一次，計數值就減1，當計數值為0時，等待信號量線程阻塞。等待信號量過程中，還可以設置等待時間，超過設定時間，等待信號量的線程就不會繼續等待，而是繼續執行后續任務。1.3 互斥鎖在編程中，引入了對象互斥鎖的概念，來保證共享數據操作的完整性。每個對象都對應于一個可稱為" 互斥鎖" 的標記，這個標記用來保證在任一時刻，只能有一個線程訪問該對象。互斥鎖是避免在同一時間共享資源被多個線程同時訪問。互斥鎖在使用時類似一把鎖，在訪問共享資源前對其上鎖，在訪問完成后，將此資源解鎖以便其他線程可以訪問。任何試圖訪問已經被上鎖資源的的線程都會被阻塞，直至訪問的資

5、源被解鎖。如果該資源解鎖時有多個試圖訪問資源的線程被阻塞，那么只有一個線程會被喚醒訪問共享資源，SylixOS喚醒原則采用基于優先級的判斷，優先級高的優先被喚醒。1.4 條件變量條件變量是利用線程間共享的全局變量進行同步的一種機制，主要包括兩個動作：一個線程等待"條件變量的條件成立"而掛起；另一個線程使"條件成立"（給出條件成立信號）。為了防止競爭，條件變量的使用總是和一個互斥鎖結合在一起。互斥鎖能夠解決多線程中訪問資源沖突的問題，其狀態非常簡單，只有上鎖和解鎖兩種狀態。當線程之間有其他需要同步的條件時，使用互斥鎖會十分不方便。比如將線程設置為等待某一個

6、條件滿足后開始工作，這個時候使用互斥鎖，只能頻繁的查詢該狀態，這樣會寶貴的CPU資源。這時使用條件變量是一個更合適的解決方案。條件變量能夠給多個線程提供一個會合的場所，條件變量與互斥鎖一起使用，允許線程以無競爭的方式等待特定的條件發生。條件變量本身需要使用互斥鎖保護，在改變條件變量之前需要使用互斥鎖對其上鎖。1.5信號量與互斥鎖的區別信號量強調的是線程（或進程）間的同步：“信號量用在多線程多任務同步的，一個線程完成了某一個動作就通過信號量告訴別的線程，別的線程再進行某些動作。當信號量為單值信號量時，也可以完成一個資源的互斥訪問。互斥鎖(又名互斥量）強調的是資源的訪問互斥：互斥鎖是用在多線程多任

7、務互斥的，一個線程占用了某一個資源，那么別的線程就無法訪問，直到這個線程unlock，其他的線程才開始可以利用這個資源。比如對全局變量的訪問，有時要加鎖，操作完了，在解鎖。有的時候鎖和信號量會同時使用的” 也就是說，信號量不一定是鎖定某一個資源，而是流程上的概念，比如：有A,B兩個線程，B線程要等A線程完成某一任務以后再進行自己下面的步驟，這個任務并不一定是鎖定某一資源，還可以是進行一些計算或者數據處理之類。而線程互斥量則是“鎖住某一資源”的概念，在鎖定期間內，其他線程無法對被保護的數據進行操作。在有些情況下兩者可以互換。 條件變量常與互斥鎖同時使用，達到線程同步的目的：條

8、件變量通過允許線程阻塞和等待另一個線程發送信號的方法彌補了互斥鎖的不足。在發送信號時，如果沒有線程等待在該條件變量上，那么信號將丟失；而信號量有計數值，每次信號量post操作都會被記錄。2. 多進程實驗本章主要講述進程相關概念、進程的創建、退出和進程間的通信。針對進程的創建和進程間通信設計了3組實驗，實驗一主要講述進程的創建，實驗二和實驗三講述了進程間通信常用的2種方式。2.1 進程的介紹進程（Process）是計算機中的程序關于某數據集合上的一次運行活動，是系統進行資源分配和調度的基本單位，是操作系統結構的基礎。在早期面向進程設計的計算機結構中，進程是程序的基本執行實體；在當代面向線程設計的

9、計算機結構中，進程是線程的容器。程序是指令、數據及其組織形式的描述，進程是程序的實體。進程是一個可執行程序的實例。一個編譯后的可執行程序在操作系統中運行后，就成為了一個進程，如果執行了兩次，就創造了兩個進程。從資源管理的角度看，一個進程會獨占一些資源，如地址空間、程序代碼、文件描述符表和程序運行的其他必要數據集合。其他進程中的函數無法訪問此進程的資源，同樣此進程的函數也無法訪問其他進程中的資源。比如進程1打開了串口1，那么進程2就無法使用進程1打開的串口文件描述符向串口1收發數據。進程在操作系統中使用進程號（進程ID）表示，進程ID是一個非負整數，用以唯一標識系統中的某個進程。2.2 進程的創

10、建進程管理主要是指進程的創建和退出。在Linux/Unix中，進程的創建往往通過fork函數和exec函數配合使用來完成，fork函數從一個進程（父進程）復制出一個新的進程（子進程），隨后子進程調用exec函數裝載一個新的可執行文件替換當前進程代碼，從而實現一個進程啟動另外一個進程。2.3 進程間通信2.2.1 共享內存共享內存指 (shared memory)在多處理器的計算機系統中，可以被不同中央處理器（CPU）訪問的大容量內存。由于多個CPU需要快速訪問存儲器，這樣就要對存儲器進行緩存（Cache）。任何一個緩存的數據被更新后，由于其他處理器也可能要存取，共享內存就需要立即更新，否則不同

11、的處理器可能用到不同的數據。共享內存是允許兩個或多個進程讀寫一個共享的物理存儲區域。因為數據不需要在進程間進行復制，因此共享內存是速度最快的進程間通信方式。但共享內存本身也存在一些不足，由于共享內存的數據會被兩個或多個進程操作，如果兩個進程同時向共享內存寫入數據，會產生沖突。而且當一個進程向共享內存區域寫入數據后，另外的進程也無法“知道”共享內存的數據發生了變化。因此共享內存通常會與另一種進程通信方式如：信號量組合使用。由信號量實現兩個進程的同步，共享內存實現數據的交換。信號量分為互斥信號量與普通信號量，互斥信號量用來解決多個進程（或線程）對共享數據對象訪問時的互斥問題；普通信號量（計數信號量

12、或二值信號量）用來解決（進程）線程直接同步通信問題。可以把信號量理解為是一個特殊的變量，程序對其訪問都是原子操作，且只允許對它進行發送和獲取操作。當信號量被發送一次，其數值就增加1，當信號量大于0的時候，等待此信號量的進程會從阻塞狀態轉為就緒狀態，并將信號量減1。進程間通過信號量來實現簡單的同步。信號量有命名信號量和匿名信號量，本實驗使用命名信號量實現進程間的同步。共享內存的使用流程：l 創建打開共享內存文件并設置文件大小；l 將內存文件映射到實際的物理內存上；l 創建信號量實現使用共享內存通信的兩個進程間的同步；l 對內存進行讀寫操作；l 取消共享內存的內存映射、關閉共享內存文件。2.2.2

13、 消息隊列消息被發送到隊列中。“消息隊列”是在消息的傳輸過程中保存消息的容器。消息隊列管理器在將消息從它的源中繼到它的目標時充當中間人。隊列的主要目的是提供路由并保證消息的傳遞；如果發送消息時接收者不可用，消息隊列會保留消息，直到可以成功地傳遞它。消息隊列是由消息的鏈表，存放在內核中并由消息隊列標識符標識。消息隊列克服了信號傳遞信息少、管道只能承載無格式字節流以及緩沖區大小受限等缺點。消息隊列是內核提供給各個進程之間傳遞消息的通信機制。消息隊列的使用流程：l 使用mq_open 函數創建消息隊列，創建隊列時會設置消息隊列的操作權限和消息關聯的鍵； l 使用mq_send 函數向消息隊列發送一個

14、消息；l 使用mq_receive 函數從消息隊列中讀取一個消息；l 如果不再需要消息通信，使用mq_close 函數關閉此消息隊列；l 使用mq_unlink函數刪除此消息隊列。2.3 進程與線程的比較一個線程可以創建和撤銷另一個線程;同一個進程中的多個線程之間可以并發執行.相對進程而言，線程是一個更加接近于執行體的概念，它可以與同進程中的其他線程共享數據，但擁有自己的棧空間，擁有獨立的執行序列。進程和線程的主要差別在于它們是不同的操作系統資源管理方式。進程有獨立的地址空間，一個進程崩潰后，在保護模式下不會對其它進程產生影響，而線程只是一個進程中的不同執行路徑。線程有自己的堆棧和局部變量，但

15、線程之間沒有單獨的地址空間，一個線程死掉就等于整個進程死掉，所以多進程的程序要比多線程的程序健壯，但在進程切換時，耗費資源較大，效率要差一些。但對于一些要求同時進行并且又要共享某些變量的并發操作，只能用線程，不能用進程。1) 簡而言之,一個程序至少有一個進程,一個進程至少有一個線程.2) 線程的劃分尺度小于進程，使得多線程程序的并發性高。3) 另外，進程在執行過程中擁有獨立的內存單元，而多個線程共享內存，從而極大地提高了程序的運行效率。4) 線程在執行過程中與進程還是有區別的。每個獨立的線程有一個程序運行的入口、順序執行序列和程序的出口。但是線程不能夠獨

16、立執行，必須依存在應用程序中，由應用程序提供多個線程執行控制。5) 從邏輯角度來看，多線程的意義在于一個應用程序中，有多個執行部分可以同時執行。但操作系統并沒有將多個線程看做多個獨立的應用，來實現進程的調度和管理以及資源分配。這就是進程和線程的重要區別。二、基于Qt圖形界面的驅動編程實驗1. 實驗目的l 理解GPIO輸入的應用程序設計方法 l 掌握select函數的使用方法l 掌握QtCreater程序的開發流程l 掌握Qt下操作SylixOS硬件設備的方法2. 實驗內容l 創建一個Qt工程實現對驗證平臺GPIO的輸出操作l 實現數碼管從0000-9999數字的顯示l 實現顯示數字的

17、加減以及清除操作3. 程序設計流程圖4. 程序源代碼及注釋mainwindow.h#ifndef MAINWINDOW_H#define MAINWINDOW_H#include <QMainWindow>#include <QThread> /*添加qt線程的頭文件*/namespace Ui class MainWindow;/-MainWindow類定義（界面主線程）-class MainWindow : public QMainWindow Q_OBJECTpublic: explicit MainWindow(QWidget *parent = 0); Mai

18、nWindow();private slots: void on_pushButton_clicked(); /加1按鍵響應函數 void on_pushButton_2_clicked(); /減1按鍵響應函數 void setnumber(char *p,int i); /int to char 轉換 void on_pushButton_3_clicked(); /清零按鍵響應函數 /* * 添加界面主線程的信號槽函數，用來實現與線程的信號對接 */ void lcdnumValSet(int num); void on_spinBox_editingFinished(); /數字設置窗

19、響應函數private: Ui:MainWindow *ui; /*-用于接收gpio驅動函數返回值的一些變量-*/ int g_led_flag; int status; int fd; int gpioled; int ret;signals: void send(int num); /線程通信函數;/-實體按鍵監督線程（加1）-class MyThread: public QThread Q_OBJECTpublic: MyThread(); void run(); /線程函數 int fd; /實體數碼管的標志位private slots: void setfd(int num); /

20、信號槽函數，用來實現與主線程的信號對接 void setnumber(char *p,int i); /int to char 轉換signals: void send(int num); /線程通信函數;/-實體按鍵監督線程（減1）-class MyThread_sub: public QThread Q_OBJECTpublic: MyThread_sub(); void run(); /線程函數 int fd; /實體數碼管的標志位private slots: void setfd(int num); /信號槽函數，用來實現與主線程的信號對接 void setnumber(char *p

21、,int i); /int to char 轉換signals: void send(int num); /線程通信函數;/-實體按鍵監督線程（清零）-class MyThread_clear: public QThread Q_OBJECTpublic: MyThread_clear(); void run(); /線程函數 int fd; /實體數碼管的標志位private slots: void setfd(int num); /信號槽函數，用來實現與主線程的信號對接 void setnumber(char *p,int i); /int to char 轉換signals: void

22、send(int num); /線程通信函數;#endif / MAINWINDOW_HMainwindow.cpp#include <QMessageBox>#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <pthread.h>#include <sys/select.h>#include <sys/gpiofd.h>#include <string.h>#include <pthread.h>#include <fcntl.h>#inclu

23、de "mainwindow.h"#include "ui_mainwindow.h"#define DIGITLCD_DEVICE "/dev/digitLcd"#define DOWNLOAD_MAX 32#define DLCD_BUF_MAX 16#define DLCD_NUM_MAX 4#define DLCD_CHAR_TAG "CHAR-"#define DLCD_DOT_TAG "DOT-"static UCHAR _G_ucDownloadMapDOWNLOAD_MAX =

24、'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'b', 'C', 'd', 'E', 'F', 'G', 'H', 'i', 'J', 'L', 'o', 'p', &

25、#39;q', 'r', 't', 'U', 'y', 'c', 'h', 'T', 0xFF;int smgnumber = 0; /* 當前顯示數值 */pthread_mutex_tlock; /* 互斥鎖 */* 類名稱: MainWindow* 函數名稱: MainWindow* 功能描述: 構造函數*/MainWindow:MainWindow(QWidget *parent) : QMainWindow(parent), ui(new Ui:MainWindow

26、) ui->setupUi(this); status = 0; gpioled = 24; /*-申請打開數碼管-*/ fd = open(DIGITLCD_DEVICE, O_RDWR); if (fd < 0) printf("can NOT open %s, error: %sn", DIGITLCD_DEVICE, strerror(errno); return; /*-創建實體按鍵監督線程-*/ MyThread *myth = new MyThread; MyThread_sub *myth_sub = new MyThread_sub; MyTh

27、read_clear *myth_clear = new MyThread_clear; /*-建立線程間的通信-*/ connect(myth,SIGNAL(send(int),this,SLOT(lcdnumValSet(int); connect(this,SIGNAL(send(int),myth,SLOT(setfd(int); connect(myth_sub,SIGNAL(send(int),this,SLOT(lcdnumValSet(int); connect(this,SIGNAL(send(int),myth_sub,SLOT(setfd(int); connect(my

28、th_clear,SIGNAL(send(int),this,SLOT(lcdnumValSet(int); connect(this,SIGNAL(send(int),myth_clear,SLOT(setfd(int); /*-運行3個線程-*/ myth->start(); myth_sub->start(); myth_clear->start(); /*-將數碼管申請打開的返回值送給各線程-*/ emit send(fd); if (pthread_mutex_init(&lock, NULL) != 0) /* 初始化互斥鎖 */ printf("

29、;mutex init failed!n"); return; /* 類名稱: MainWindow* 函數名稱: MainWindow* 功能描述: 析構函數*/MainWindow:MainWindow() delete ui;/* 類名稱: MainWindow* 函數名稱: lcdnumValSet* 功能描述: 設置屏幕led計數，界面主線程的信號槽函數，用來實現與線程的信號對接* 輸入：int數值*/void MainWindow:lcdnumValSet(int num) ui->lcdNumber->display(num);/* 類名稱: MainWin

30、dow、MyThread、MyThread_sub、MyThread_clear（相同代碼）* 函數名稱: setnumber* 功能描述: 設置計數（int2char），將int數值轉換為4位char數組* 輸入：char指針、int*/void MainWindow:setnumber(char *p,int i) int n,j; for(j = 0 ; j < 4 ; j+) n = i % 10; i = (i-n)/10; memset(p, _G_ucDownloadMapn, DLCD_NUM_MAX-j); void MyThread:setnumber(char *p

31、,int i) int n,j; for(j = 0 ; j < 4 ; j+) n = i % 10; i = (i-n)/10; memset(p, _G_ucDownloadMapn, DLCD_NUM_MAX-j); void MyThread_sub:setnumber(char *p,int i) int n,j; for(j = 0 ; j < 4 ; j+) n = i % 10; i = (i-n)/10; memset(p, _G_ucDownloadMapn, DLCD_NUM_MAX-j); void MyThread_clear:setnumber(cha

32、r *p,int i) int n,j; for(j = 0 ; j < 4 ; j+) n = i % 10; i = (i-n)/10; memset(p, _G_ucDownloadMapn, DLCD_NUM_MAX-j); /* 類名稱: MainWindow* 函數名稱: on_pushButton_clicked* 功能描述: 加1按鍵響應函數*/void MainWindow:on_pushButton_clicked() pthread_mutex_lock(&lock); /* 對資源上鎖 */ printf("addn"); smgnum

33、ber+; /* 加1 */ if(smgnumber>=10000) smgnumber=0; char *pbuf; char bufDLCD_BUF_MAX; strcpy(buf, DLCD_CHAR_TAG); pbuf = buf + strlen(DLCD_CHAR_TAG); setnumber(pbuf,smgnumber); /* int2char */ ui->lcdNumber->display(smgnumber); /* 屏幕顯示 */ ret = write(fd, buf, (strlen(DLCD_CHAR_TAG) + DLCD_NUM_M

34、AX); /* 實際數碼管顯示顯示 */ if (ret > 0) /printf("Show key: %c n", _G_ucDownloadMapi); else printf("write char errorn"); return; pthread_mutex_unlock(&lock); /* 對資源解鎖 */* 類名稱: MainWindow* 函數名稱: on_pushButton_2_clicked* 功能描述: 減1按鍵響應函數*/void MainWindow:on_pushButton_2_clicked() pth

35、read_mutex_lock(&lock); /* 對資源上鎖 */ printf("sbbn"); if(smgnumber<=0) smgnumber=10000; smgnumber-; /* 減1 */ char *pbuf; char bufDLCD_BUF_MAX; strcpy(buf, DLCD_CHAR_TAG); pbuf = buf + strlen(DLCD_CHAR_TAG); setnumber(pbuf,smgnumber); /* int2char */ ui->lcdNumber->display(smgnumb

36、er); /* 屏幕顯示 */ ret = write(fd, buf, (strlen(DLCD_CHAR_TAG) + DLCD_NUM_MAX); /* 實際數碼管顯示顯示 */ if (ret > 0) /printf("Show key: %c n", _G_ucDownloadMapi); else printf("write char errorn"); return; pthread_mutex_unlock(&lock); /* 對資源解鎖 */* 類名稱: MainWindow* 函數名稱: on_pushButton_

37、3_clicked* 功能描述: 清零按鍵響應函數*/void MainWindow:on_pushButton_3_clicked() pthread_mutex_lock(&lock); /* 對資源上鎖 */ printf("clearn"); smgnumber=0; /* 清零 */ char *pbuf; char bufDLCD_BUF_MAX; strcpy(buf, DLCD_CHAR_TAG); pbuf = buf + strlen(DLCD_CHAR_TAG); setnumber(pbuf,smgnumber); /* int2char *

38、/ ui->lcdNumber->display(smgnumber); /* 屏幕顯示 */ ret = write(fd, buf, (strlen(DLCD_CHAR_TAG) + DLCD_NUM_MAX); /* 實際數碼管顯示顯示 */ if (ret > 0) /printf("Show key: %c n", _G_ucDownloadMapi); else printf("write char errorn"); return; pthread_mutex_unlock(&lock); /* 對資源解鎖 */*

39、 類名稱: MyThread* 函數名稱: MyThread* 功能描述: 構造函數*/MyThread:MyThread()/* 類名稱: MyThread* 函數名稱: run* 功能描述: 進程函數，實現實體按鍵加1功能*/void MyThread:run() int ret; int fd_button; fd_set fdset; int gpio_in_num= 36; /*-申請打開按鍵-*/ fd_button = gpiofd(gpio_in_num, 0, GPIO_FLAG_TRIG_FALL | GPIO_FLAG_TRIG_RISE); if (fd_button

40、<= 0) printf("gpiofd create error!"); return ; FD_ZERO(&fdset); /*-監督過程（死循環）-*/ while (1) FD_SET(fd_button, &fdset); /*-進入阻塞，等待按鍵被按下-*/ ret = select(fd_button + 1, &fdset, NULL, NULL, NULL); /*-按鍵被按下后，執行響應-*/ if (ret = 1) pthread_mutex_lock(&lock); /* 對資源上鎖 */ printf("addn"); smgnumber+; /* 加1 */ if(smgnumber>=10000) smgnumber=0; char *pbuf; char bufDLCD_BUF_MAX; strcpy(buf, DLCD_CHAR_TAG); pbuf = buf + strlen(DLCD_CHAR_TAG); setnumber(pbuf,smgnumber); /* int2char */ ret = write(fd, buf, (strlen(DLCD_CHAR_TAG) + DLCD_NUM_MAX