FreeRTOS——信号量

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分类专栏： FreeRTOS 文章标签： 学习 笔记 stm32 freertos
于 2024-11-22 22:51:21 首次发布
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目录

一、概念及其应用

1.1定义

1.2作用

二、二值信号量

2.1定义

2.2二值信号量工作机制

2.3二值信号量应用场景—同步

2.4二值信号量API

2.4.1创建二值信号量

2.4.2任务中释放信号量

2.4.3中断中释放信号量

2.4.4任务中获取信号量

2.4.5中断中获取信号量

三、计数信号量

3.1定义

3.2作用

 3.3创建计数信号量

3.4获取当前计数信号量的值

四、实现原理 

队列、信号量、互斥信号量都是为了解决任务和中断之间通讯、同步、互斥的问题

一、概念及其应用

1.1定义

信号量是应用层面实现任务与任务或任务与中断间通信的机制，可以类比裸机编程中的标志位

1.2作用

实现任务与任务或任务与中断间的同步功能(二值信号量)、资源管理(计数信号量)、临界资源的互斥访问(互斥信号量)

容易混淆：

        临界段是内核的一种处理机制，不让任务或大部分中断  打断

        消息队列是实现任务与任务或任务与中断间通信的数据结构，可类比裸机编程中的数组，消息队列中的数据是重要的，而信号量中不关心数据，只关心是否为空

二、二值信号量

2.1定义

当信号量被获取了，信号量值变为0；当信号量被释放了，信号量值变为1。 把这种取值只有0与1两种状态的信号量称之为二值信号量。创建二值信号量时，系统会为创建的二值信号量分配内存

二值信号量是一种长度为1，消息大小为0的特殊消息队列。 因为这个队列只有空或满两种状态，而且消息大小为0，因此在运用时，只需要知道队列中是否有消息即可，而无需关注消息是什么

2.2二值信号量工作机制

TASK1阻塞等待信号量，直到TASK2释放后获得，解除阻塞态

2.3二值信号量应用场景—同步

1.任务与任务中同步的应用场景:

假设有一个温湿度传感器，每1s采集一次数据，把它采集的数据用液晶显示，液晶屏上的数据最快也只能是1s。但如果液晶屏刷新的周期是100ms，若温湿度数据还没更新，液晶屏根本无须刷新，只需要在1s后温湿度数据更新时刷新即可，否则CPU白白做了多次的无效数据更新操作，造成 CPU 资源浪费。要是液晶屏刷新的周期是 10s，那么温湿度的数据都变化了10次，液晶屏才来更新数据，那么这个产品测得的结果就是不准确的，所以还是需要同步协调工作，在温湿度采集完毕之后进行液晶屏数据的刷新，这样得到的结果才是最准确的，并且不会浪费 CPU 的资源。

2.任务与中断中同步的应用场景:

在串口接收中，我们不知道什么时候有数据发送过来，但如果设置一个任务专门时刻查询是否有数据到来，将会浪费CPU资源，所以在这种情况下使用二值信号量是很好的办法：当没有数据到来时，任务进入阻塞态，不参与任务的调度;等到数据到来了，释放一个二值信号量，任务就立即从阻塞态中解除，进入就绪态，然后在运行时处理数据，这样系统的资源就会得到很好的利用。

2.4二值信号量API

2.4.1创建二值信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*创建二值信号量*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreatBinary(void)

func:dynamically creat binary semaphore and return  semaphore_handle //创建二值信号量并返回句柄，初始化信号量值为0

   
return: NULL： 堆空间不足
    	Any other value: 成功返回的句柄
    
matters needing attention: 
configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION必须置1

2.4.2任务中释放信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*任务中释放信号量（无论是哪种具体的信号量 都用这个API！！！）*/
BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore)
    
func:release semaphore in task//任务中释放信号量

params：xSemaphore    
    
return: pdTRUE： 释放成功
    	pdFAIL： 因为信号量的实现是基于消息队列，返回失败的主要原因是消息队列已经满了
    
matters needing attention: 
此函数不支持使用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的信号量

2.4.3中断中释放信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*中断中释放信号量（无论是哪种具体的信号量 都用这个API！！！）*/
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)

func:release semaphore in ISR //中断中释放信号量    
    
params：xSemaphore 句柄
        pxHigherPriorityTaskWoken 用于保存是否有高优先级任务准备就绪 意味着释放信号量成功后，是否进行上下文切换（pdTRUE） 
    						      一般使用NULL

return: pdTRUE：        释放成功
    	errQUEUE_FULL： 已经释放过了，相当于信号量的值顶满了 1~1
    
matters needing attention: 
此函数不支持使用 xSemaphoreCreateMutex ()创建的信号量

2.4.4任务中获取信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*任务中获取信号量（无论是哪种具体的信号量 都用这个API！！！）*/
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait)

func:get semaphore in task//任务中获取信号量    
    
params：xSemaphore   句柄
    	xTicksToWait 阻塞时间 portMAX_DELAY表示一直“痴情”等

return: pdTRUE： 获取成功
    	pdFAIL： 获取失败
    
matters needing attention: 
此函数不支持使用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的信号量

2.4.5中断中获取信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*中断中获取信号量（无论是哪种具体的信号量 都用这个API！！！）*/
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)

func:get semaphore in isr//中断中获取信号量    
    
params：xSemaphore 句柄
        pxHigherPriorityTaskWoken 用于保存是否有高优先级任务准备就绪 意味着释放信号量成功后，是否进行上下文切换（pdTRUE） 
    						      一般使用NULL   

return: pdTRUE： 获取成功
    	pdFAIL： 获取失败
    
matters needing attention: 
只能在中断中调用，没有阻塞功能

三、计数信号量

3.1定义

取值为0~n（n>1具体用户决定）的信号量

3.2作用

计数信号量是资源管理的重要手段，主要用于任务与任务间。

 3.3创建计数信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*创建计数信号量*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreatCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount)
  
func:dynamically creat counting semaphore and return  semaphore_handle //创建、初始化计数信号量并返回句柄

param： uxMaxCount       最大值
        uxInitialCount   初始值  
   
return: NULL： 堆空间不足
    	Any other value: 成功返回的句柄
    
matters needing attention: 
configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION必须置1
USE_COUNTING_SEMAPHORE必须置1

3.4获取当前计数信号量的值

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*获取当前计数信号量的值*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreGetCount(SemaphoreHandle_t xSemaphore)
  
func:return current value of counting semaphore //返回当前计数信号量的值

param： xSemaphore  计数信号量句柄
   
    
matters needing attention: None

四、实现原理 

信号量是基于消息队列实现的机制，这点在代码中有很好的印证

1.二值信号量的创建

xSemaphoreCreatBinary(队列长度=1，ItemSize=0,消息队列类型参数)

消息大小为0因为消息空间没有意义

2.计数信号量

xSemaphoreCreatCounting() 实际接口xQueueCreatCountingSemaphore()，内部调用消息队列的创建API

uxMessageWaiting = uxInitialCount 表示创建后就可获取，不用阻塞等待

3.信号量的删除

完全拷贝消息队列的删除

4.释放信号量

Give对应Send，任务级对应任务级，中断级对应中断级。

消息队列的发送/接收都有阻塞任务的功能，但信号量的释放是把阻塞参数设为0，因为信号量释放是一个紧急事件，当信号量资源达到最大，就不需要再等待其他任务使用

中断中的Give实际又封装了一个消息队列give的API，与send的区别就是没有数据拷贝功能（也不需要），因为信号不占用空间

5.获取信号量

如同Give对应Send，Take则对应Receive，区别就是接收缓冲区=NULL，出队固定删除空间

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本系列基于stm32系列单片机来使用freerotsFreeRTOS是一个流行的实时操作系统，提供了许多功能强大的特性，其中包括信号量。信号量是一种在并发编程中常用的同步机制，用于实现资源的共享和互斥访问。本文将介绍FreeRTOS中的信号量，包括其基本概念、用法和示例。信号量是FreeRTOS中用于实现资源的共享和互斥访问的重要机制。本文介绍了信号量的基本概念、创建和初始化、获取和释放操作以及用途。通过合理地使用信号量，可以提高系统并发性能，并确保共享资源的正确访问。
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在pxHigherPriorityTaskWoken在调用之后有一个任务立即被运行起来，这个时候有一个中断专用的API会将这个值从0设置为1，如果没有任何任务因为中断中调用这个API，而导致状态发生变化那么它就会保持0这个值而不会设置为1，因此在定义和使用这个变量的时候需要将这个变量的初始化值设置为0，如果中断服务程序退出后，底半任务要立即运行起来就需要执行portYIELD_FROM_ISR 这个中断任务切换的上下文，“过程大概四60ms”实际上就是在中断函数中进行的操作，......后续继续更新。
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FREERTOS使用信号量例程
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### FreeRTOS信号量示例代码 在FreeRTOS中，信号量用于管理资源访问和同步任务执行。以下是基于二值信号量的一个简单例子，展示了如何创建、获取和释放信号量。 #### 创建并初始化二值信号量 ```c SemaphoreHandle_t binary_semaphore; void setup() { // 创建一个初始为空的二值信号量 binary_semaphore = xSemaphoreCreateBinary(); if (binary_semaphore != NULL) { // 初始化信号量为可用状态（可选） xSemaphoreGive(binary_semaphore); } } ``` 此段代码定义了一个名为`binary_semaphore`的手柄来表示二值信号量，并通过调用`xSemaphoreCreateBinary()`函数创建该信号量[^4]。如果成功，则将其设置为已给予的状态以便立即使用。 #### 获取信号量 当某个任务想要进入临界区之前，它应该尝试获得相应的信号量： ```c if (xSemaphoreTake(binary_semaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) { // 成功获得了信号量，现在可以安全地操作共享资源 } else { // 如果到达这里意味着未能取得信号量 } ``` 上述代码片段中的`xSemaphoreTake()`函数用来等待直到能够占有指定的信号量为止，在本案例里设置了无限期阻塞(`portMAX_DELAY`)直至得到信号量[^2]。 #### 释放信号量 一旦完成对受保护资源的操作之后，应当及时归还所持有的信号量给其他可能正在排队等候的任务: ```c // 完成工作后释放信号量 xSemaphoreGive(binary_semaphore); ``` 这段代码里的`xSemaphoreGive()`负责增加信号量计数值从而允许下一个等待者继续前进。 ### 使用场景说明 以上述方式构建的应用程序通常适用于那些需要确保多个并发进程不会同时修改同一份数据的情况——即防止竞态条件的发生。此外，还可以利用此类机制实现生产者-消费者模式下的线程间通信[^3]。
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