Chapter 07 Semaphore Management

세마포어는 세마포어 수를 세는 INT16U 카운터(0~65535)와, 대기 중인 task를 위한 wait list를 가지고 있다. 다음은 세마포어 관리 서비스를 제공하는 함수와, 이를 활성화하는 변수(OS_CFG.H에서 설정)를 나타낸 도표이다.

Semaphore Management Service	설명	옵션(1 설정 시 활성화)
`OSSemAccept()`	대기 없이 세마포어 획득(non-blocking)	`OS_SEM_ACCEPT_EN`
`OSSemCreate()`	세마포어 생성
`OSSemDel()`	세마포어 삭제	`OS_SEM_DEL_EN`
`OSSemPend()`	세마포어 대기
`OSSemPost()`	세마포어 신호 전달
`OSSemQuery()`	세마포어 상태 정보 획득	`OS_SEM_QUERY_EN`

7.1 Relationship between Task, ISR, and Semaphore

다음은 task, ISR과 세마포어 간의 관계를 나타낸 도식이다.

세마포어는 열쇠, 혹은 깃발 기호(이벤트 발생을 알리기 위해 사용할 경우)로 표시한다.

$N$ : 사용 가능한 리소스 수
이진 세마포어(mutex)의 경우, $N = 1$
ISR에서는 세마포어를 생성(OSSemCreate())하거나 삭제(OSSemDel())할 수 없다. 또한, 세마포어를 대기(OSSemPend())할 수 없다.

task, ISR, semaphore

7.2 Creating Semaphore: OSSemCreate()

다음은 세마포어를 생성하는 OSSemCreate() 함수이다.

OSIntNesting > 0: ISR에서는 세마포어를 생성할 수 없다.
OSEventFreeList에서 ECB를 가져와서 초기화하고, 해당 ECB를 반환한다.
OS_EventWaitListInit()함수 호출하여 초기화
OSEventCnt: 1일 경우 binary semaphore
!= (OS_EVENT *)0: 유효성(NULL) 검사

OS_EVENT *OSSemCreate(INT16 cnt)
{
  OS_EVENT *pevent;

  if (OSIntNesting > 0) return ((OS_EVENT *)0);
  OS_ENTER_CRITICAL();
  pevent = OSEventFreeList;
  if (OSEventFreeList != (OS_EVENT *)0) {
    OSEventFreeList = (OS_EVENT *)OSEventFreeList->OSEventPtr;
  }
  OS_EXIT_CRITICAL();
  if (pevent != (OS_EVENT *)0) {
    pevent->OSEventType = OS_EVENT_TYPE_SEM;
    pevent->OSEventCnt  = cnt;
    pevent->OSEventPtr  = (void *)0;
    OS_EventWaitListInit(pevent);
  }
  return (pevent);
}

다음은 OSSemCreate() 함수가 초기화 후 반환한 ECB를 나타낸 도식이다.

ECB just before returns

7.3 Deleting Semaphore: OSSemDel()

다음은 세마포어를 삭제하는 OSSemDel() 함수이다. 삭제 이전에, 먼저 세마포어에 접근하는 모든 task부터 삭제해야 한다.

tasks_waiting: 대기 중인 task가 있다면 TRUE, 없다면 FALSE
OSEventFreeList에 ECB를 반납한다.
OSEventType = OS_EVENT_TYPE_UNUSED: ECB를 사용되지 않은 것으로 표기
인자 opt에 따라 다르게 실행된다.
opt = OS_DEL_NO_PEND: pending task가 없을 때만 삭제
opt=OS_DEL_ALWAYS: 세마포어를 대기 중인 모든 작업을 Task Ready 상태로 전환하고, 더 높은 우선순위 task가 깨어날 수 있으므로 OS_Sched()를 호출한다.

OS_EVENT *OSSemDel (OS_EVENT *pevent, INT8U opt, INT8U *err)
{
  BOOLEAN tasks_waiting;
  ...
  OS_ENTER_CRITICAL();
  if (pevent->OSEventGrp != 0x00) tasks_waiting = TRUE;
  else tasks_waiting = FALSE;
  switch (opt) {
    case OS_DEL_NO_PEND:
      if (tasks_waiting == FALSE) {
        pevent->OSEventType = OS_EVENT_TYPE_UNUSED;
        pevent->OSEventPtr  = OSEventFreeList;
        OSEventFreeList     = pevent;
        OS_EXIT_CRITICAL();
        *err = OS_NO_ERR;
        req
      } else {
        OS_EXIT_CRITICAL();
        *err = OS_ERR_TASK_WAITING;
        return (pevent);
      }
    csae OS_DEL_ALWAYS:
      while (pevent->OSEventGrp != 0x00) {
        OS_EventTaskRdy(pevent, (void *)0, OS_STAT_SEM);
      }
      pevent->OSEventType = OS_EVENT_TYPE_UNUSED;
      pevent->OSEventPtr  = OSEventFreeList;
      OSEventFreeList     = pevent;
      OS_EXIT_CRITICAL();
      if (tasks_waiting == TRUE) OS_Sched();
      *err = OS_NO_ERR;
      return ((OS_EVENT *)0);
    default:
      OS_EXIT_CRITICAL();
      *err = OS_ERR_OPT_INVALID;
      return (pevent);
  }
}

7.4 Waiting on Semaphore (Blocking): OSSemPend()

현재 task가 세마포어를 획득할 수 없다면, 세마포어 대기 상태로 전환한다. 이때, OSSemPend() 함수를 사용한다.

OSEventCnt > 0: 카운트가 0보다 크면 1 감소시키고 return한다.
Task Ready 상태로 전환(OSTCBStat |= OS_STAT_SEM)하고, OS_Sched()를 호출하여 context switching한다.
(OSTCBStat & OS_STAT_SEM): 만약 세마포어 대기 상태로 task가 재개되었다면, timeout으로 깨어난 것이다.

에러로 OS_TIMEOUT을 반환한다.

void OSSemPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err) {
  OS_ENTER_CRITICAL();
  if (pevent->OSEventCnt > 0) {
    pevent->OSEventCnt--;
    OS_EXIT_CRITICAL();
    *err = OS_NO_ERR;
    return;
  }
  OSTCBCur->OSTCBStat |= OS_STAT_SEM;
  OSTCBCur->OSTCBDly   = timeout;
  OS_EventTaskWait(pevent);
  OS_EXIT_CRITICAL();
  OS_Sched();
  OS_ENTER_CRITICAL();
  if (OSTCBCur->OSTCBStat & OS_STAT_SEM) {
    OS_EventTO(pevent);
    OS_EXIT_CRITICAL();
    *err = OS_TIMEOUT;
    return;
  }
  OSTCBCur->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT *)0;
  OS_EXIT_CRITICAL();
  *err = OS_NO_ERR;
}

7.5 Signaling Semaphore: OSSemPost

OSSemPost() 함수는 신호를 보내, 세마포어를 획득한 task를 깨우는 역할을 수행한다.

OSEventGrp != 0x00: ECB wait list가 비어있는지 확인 후, OS_EventTaskRdy()를 호출하여 대기 중인 task를 깨운다.

OS_EventTaskRdy() 내부에서 OSEventCnt를 증가시키므로, 여기서는 증가시킬 필요가 없다.

반면, 깨어줄 task가 없다면, OSEventCnt를 1 증가시킨다.
OS_SEM_OVF: 오버플로 발생

INT8U OSSemPost (OS_EVENT *pevent)
{
    OS_ENTER_CRITICAL();
    if (pevent->OSEventGrp != 0x00) {
        OS_EventTaskRdy(pevent, (void *)0, OS_STAT_SEM);
        OS_EXIT_CRITICAL();
        OS_Sched();
        return (OS_NO_ERR);
    } 
    if (pevent->OSEventCnt < 65535) {
        pevent->OSEventCnt++;
        OS_EXIT_CRITICAL();
        return (OS_NO_ERR);
    }
    OS_EXIT_CRITICAL();
    return (OS_SEM_OVF);
}

7.6 Getting Semaphore without Wating(Non-blocking): OSSemAccept()

OSSemAccept() 함수는 대기 없이 세마포어를 획득하는 함수이다.

cnt를 반환한다.
cnt > 0: 1 감소시키고 반환
otherwise: 그대로 반환한다.

INT16U OSSemAccept (OS_EVENT *pevent)
{
    OS_ENTER_CRITICAL();
    cnt = pevent->OSEventCnt;
    if (cnt > 0) {
        pevent->OSEventCnt--;
    }
    OS_EXIT_CRITICAL();
    return (cnt);
}