FreeRTOS信号量

最新推荐文章于 2025-06-15 16:59:20 发布

nippon1218

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分类专栏：嵌入式 STM32

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本文档主要介绍FreeRTOS操作系统的信号量概念及其应用，通过正点原子的FreeRTOS源码详解与应用开发进行学习，旨在帮助读者掌握这一实时操作系统的关键组件。

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——————（正点原子FreeRTOS学习笔记）

开始学习FreeRTOS,学习参考书籍和视频来自正点原子FreeRTOS源码详解与应用开发，北京航空航天大学出版社

1 二值信号量

1.1 二值信号量简介

二值信号量通常用于互斥访问或同步，二值信号量和互斥信号量非常类似，但是还是有一些细微的差别，互斥信号量拥有优先级继承机制，二值信号量没有优先级继承。因此二值信号另更适合用于同步(任务与任务或任务与中断的同步)，而互斥信号量适合用于简单的互斥访问。

和队列一样，信号量 API 函数允许设置一个阻塞时间，阻塞时间是当任务获取信号量的时候由于信号量无效从而导致任务进入阻塞态的最大时钟节拍数。如果多个任务同时阻塞在同一个信号量上的话那么优先级最高的哪个任务优先获得信号量，这样当信号量有效的时候高优先级的任务就会解除阻塞状态。

二值信号量其实就是一个只有一个队列项的队列，这个特殊的队列要么是满的，要么是空的，这不正好就是二值的吗？任务和中断使用这个特殊队列不用在乎队列中存的是什么消息，只需要知道这个队列是满的还是空的。可以利用这个机制来完成任务与中断之间的同步。

使用二值信号量来完成中断与任务同步的这个机制中，任务优先级确保了外设能够得到及时的处理，这样做相当于推迟了中断处理过程。也可以使用队列来替代二值信号量，在外设事件的中断服务函数中获取相关数据，并将相关的数据通过队列发送给任务。如果队列无效的话任务就进入阻塞态，直至队列中有数据，任务接收到数据以后就开始相关的处理过程。下面几个步骤演示了二值信号量的工作过程。

1 、二值信号量无效

在图 14.2.1.1 中任务 Task 通过函数 xSemaphoreTake()获取信号量，但是此时二值信号量无

效，所以任务 Task 进入阻塞态。

2 、中断释放信号量

此时中断发生了，在中断服务函数中通过函数 xSemaphoreGiveFromISR()释放信号量，因此信号量变为有效。

3、任务获取信号量成功

由于信号量已经有效了，所以任务 Task 获取信号量成功，任务从阻塞态解除，开始执行相关的处理过程

4、任务再次进入阻塞态

由于任务函数一般都是一个大循环，所以在任务做完相关的处理以后就会再次调用函数 xSemaphoreTake()获取信号量。在执行完第三步以后二值信号量就已经变为无效的了，所以任务将再次进入阻塞态，和第一步一样，直至中断再次发生并且调用函数 xSemaphoreGiveFromISR() 释放信号量。

1.2 创建二值信号量

同队列一样，要想使用二值信号量就必须先创建二值信号量，二值信号量创建函数如表 14.2.2 所示：

1 、函数 vSemaphoreCreateBinary ()

此函数是老版本 FreeRTOS 中的创建二值信号量函数，新版本已经不再使用了，新版本的 FreeRTOS 使用 xSemaphoreCreateBinary()来替代此函数，这里还保留这个函数是为了兼容那些基于老版本 FreeRTOS 而做的应用层代码。此函数是个宏，具体创建过程是由函数 xQueueGenericCreate()来完成的，在文件 semphr.h 中有如下定义：

void vSemaphoreCreateBinary( SemaphoreHandle_t xSemaphore )

参数：

xSemaphore：保存创建成功的二值信号量句柄。

返回值：

NULL: 二值信号量创建失败。

其他值: 二值信号量创建成功。

2 、函数 xSemaphoreCreateBinary()

此函数是 vSemaphoreCreateBinary()的新版本，新版本的 FreeRTOS 中统一用此函数来创建二值信号量。使用此函数创建二值信号量的话信号量所需要的 RAM 是由 FreeRTOS 的内存管理部分来动态分配的。此函数创建好的二值信号量默认是空的，也就是说刚创建好的二值信号量使用函数 xSemaphoreTake()是获取不到的，此函数也是个宏，具体创建过程是由函数 xQueueGenericCreate()来完成的，函数原型如下：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void )

参数：

无。

返回值：

NULL: 二值信号量创建失败。

其他值: 创建成功的二值信号量的句柄。

3 、函数 xSemaphoreCreateBinaryStatic()

此函数也是创建二值信号量的，只不过使用此函数创建二值信号量的话信号量所需要的 RAM 需要由用户来分配，此函数是个宏，具体创建过程是通过函数 xQueueGenericCreateStatic() 来完成的，函数原型如下：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer )

参数：

pxSemaphoreBuffer：：此参数指向一个 StaticSemaphore_t 类型的变量，用来保存信号量结构体。

返回值：

NULL: 二值信号量创建失败。

其他值: 创建成功的二值信号量句柄。

1.3 二值信号量创建过程分析

上一小节讲了三个用于二值信号量创建的函数，两个动态的创建函数和一个静态的创建函数。本节就来分析一下这两个动态的创建函数，静态创建函数和动态的类似，就不做分析了。首先来看一下老版本的二值信号量动态创建函数 vSemaphoreCreateBinary()，函数代码如下：

   #if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) 
 
   #define vSemaphoreCreateBinary( xSemaphore ) \ 
 
   {  \ 
 
       ( xSemaphore ) = xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1, \  (1) 
 
       semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, \ 
 
       queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE );  \ 
 
       if( ( xSemaphore ) != NULL ) \ 
 
       {  \ 
 
           ( void ) xSemaphoreGive( ( xSemaphore ) ); \  (2) 
 
       }  \ 
 
   } 
 
   #endif

(1)、上面说了二值信号量是在队列的基础上实现的，所以创建二值信号量就是创建队列的过程。这里使用函数 xQueueGenericCreate()创建了一个队列，队列长度为 1，队列项长度为 0，队列类型为 queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE，也就是二值信号量。

(2)、当二值信号量创建成功以后立即调用函数 xSemaphoreGive()释放二值信号量，此时新

创建的二值信号量有效。在来看一下新版本的二值信号量创建函数 xSemaphoreCreateBinary()，函数代码如下：

   #if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) 
 
   #define xSemaphoreCreateBinary() \ 
 
       xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1,  \ 
 
       semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH,  \ 
 
       queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE ) \ 
 
   #endif

可以看出新版本的二值信号量创建函数也是使用函数 xQueueGenericCreate()来创建一个类型为queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE、长度为 1、队列项长度为 0 的队列。这一步和老版本的二值信号量创建函数一样，唯一不同的就是新版本的函数在成功创建二值信号量以后不会立即调用函数 xSemaphoreGive()释放二值信号量。也就是说新版函数创建的二值信号量默认是无效的，而老版本是有效的。

大家注意看，创建的队列是个没有存储区的队列，前面说了使用队列是否为空来表示二值信号量，而队列是否为空可以通过队列结构体的成员变量 uxMessagesWaiting 来判断。

1.4 释放信号量

释放信号量的函数有两个，如表 14.2.4.1 所示：

同队列一样，释放信号量也分为任务级和中断级。还有！不管是二值信号量、计数型信号量还是互斥信号量，它们都使用表 14.2.4.1 中的函数释放信号量，递归互斥信号量有专用的释放函数。

1、数函数 xSemaphoreGive()

此函数用于释放二值信号量、计数型信号量或互斥信号量，此函数是一个宏，真正释放信号量的过程是由函数 xQueueGenericSend()来完成的，函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive( xSemaphore )

参数：

xSemaphore ：要释放的信号量句柄。

返回值：

pdPASS: 释放信号量成功。

errQUEUE_FULL: 释放信号量失败。

我们再来看一下函数 xSemaphoreGive()的具体内容，此函数在文件 semphr.h 中有如下定义：

#define xSemaphoreGive( xSemaphore ) \

xQueueGenericSend( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), \

NULL, \

semGIVE_BLOCK_TIME, \

queueSEND_TO_BACK ) \

可以看出任务级释放信号量就是向队列发送消息的过程，只是这里并没有发送具体的消息，阻塞时间为 0(宏 semGIVE_BLOCK_TIME 为 0)，入队方式采用的后向入队。具体入队过程第十三章已经做了详细的讲解，入队的时候队列结构体成员变量 uxMessagesWaiting 会加一，对于二值信号量通过判断 uxMessagesWaiting 就可以知道信号量是否有效了，当 uxMessagesWaiting 为 1 的话说明二值信号量有效，为 0 就无效。如果队列满的话就返回错误值 errQUEUE_FULL，提示队列满，入队失败。

2 、函数 xSemaphoreGiveFromISR()

此函数用于在中断中释放信号量，此函数只能用来释放二值信号量和计数型信号量，绝对不能用来在中断服务函数中释放互斥信号量！此函数是一个宏，真正执行的是函数

xQueueGiveFromISR()，此函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore,

BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken)

参数：

xSemaphore：要释放的信号量句柄。

pxHigherPriorityTaskWoken：标记退出此函数以后是否进行任务切换，这个变量的值由这

三个函数来设置的，用户不用进行设置，用户只需要提供一个变量来保存这个值就行了。当此值为 pdTRUE 的时候在退出中断服务函数之前一定要进行一次任务切换。

返回值：

pdPASS: 释放信号量成功。

errQUEUE_FULL: 释放信号量失败。

在中断中释放信号量真正使用的是函数 xQueueGiveFromISR()，此函数和中断级通用入队函数 xQueueGenericSendFromISR()极其类似！只是针对信号量做了微小的改动。函数 xSemaphoreGiveFromISR()不能用于在中断中释放互斥信号量，因为互斥信号量涉及到优先级继承的问题，而中断不属于任务，没法处理中断优先级继承。大家可以参考第十三章分析函数

xQueueGenericSendFromISR()的过程来分析 xQueueGiveFromISR()。

1.5 获取信号量

获取信号量也有两个函数，如表 14.2.5.1 所示：

同释放信号量的 API 函数一样，不管是二值信号量、计数型信号量还是互斥信号量，它们都使用表 14.2.5.1 中的函数获取信号量。

1 、函数 xSemaphoreTake()

此函数用于获取二值信号量、计数型信号量或互斥信号量，此函数是一个宏，真正获取信号量的过程是由函数 xQueueGenericReceive ()来完成的，函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,

TickType_t xBlockTime)

参数：

xSemaphore ：要获取的信号量句柄。

xBlockTime: 阻塞时间。

返回值：

pdTRUE: 获取信号量成功。

pdFALSE: 超时，获取信号量失败。

再来看一下函数 xSemaphoreTake ()的具体内容，此函数在文件 semphr.h 中有如下定义：

#define xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime ) \

xQueueGenericReceive( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), \

NULL, \

( xBlockTime ), \

pdFALSE ) \

获取信号量的过程其实就是读取队列的过程，只是这里并不是为了读取队列中的消息。在第十三章讲解函数 xQueueGenericReceive()的时候说过如果队列为空并且阻塞时间为 0 的话就立即返回 errQUEUE_EMPTY，表示队列满。如果队列为空并且阻塞时间不为 0 的话就将任务添加到延时列表中。如果队列不为空的话就从队列中读取数据(获取信号量不执行这一步)，数据读取完成以后还需要将队列结构体成员变量 uxMessagesWaiting 减一，然后解除某些因为入队而阻塞的任务，最后返回 pdPASS 表示出对成功。互斥信号量涉及到优先级继承，处理方式不同，后面讲解互斥信号量的时候在详细的讲解。