FreeRTOS 信号量

最新推荐文章于 2025-04-16 00:39:37 发布

orientlu

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分类专栏：嵌入式编程 FreeRTOS 学习文章标签：嵌入式

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_18150497/article/details/52947752

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本文深入介绍了FreeRTOS中的信号量，包括二进制信号量、计数信号量、互斥锁和递归互斥锁的使用和实现细节。二进制信号量作为任务同步工具，可用于中断和任务间的协调。互斥锁则引入了优先级继承机制，防止优先级反转问题。递归互斥锁允许同一任务多次获取。所有信号量都是基于队列实现的，具有轻量级的特点。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

@(嵌入式)

FreeRtos

简述

FreeRTOS 信号量和互斥锁是基于队列实现的，队列介绍见 << FreeRTOS 消息队列 >>。使用信号量需要在源文件中包含头文件 semphr.h , 该文件定义了信号量的 API，实际我们使用的信号量 API 都是宏定义，宏的实际是队列提供的函数。

FreeRTOS 信号量包括二进制信号量、计数信号量、互斥锁和递归互斥锁。这篇文章介绍如何使用这些信号量就行任务间同步以及其实现。

分析的源码版本是 v9.0.0

二进制信号量

二进制信号量可以用于互斥和同步，多用于同步。可以把二进制信号量看成一个深度为1的队列（实际FreeRTOS也是这么实现的），调用信号量获取函数，设置阻塞时间，在该时间内没有收到信号，任务会被挂起，当收到信号或者超时，任务恢复，函数返回。
多个任务同时阻塞在一个信号量，当信号量有效时，最高优先级的任务最先解除阻塞。

二进制信号量使用

举个使用场景，一个任务读取一个外设，一直等待外设可读占用CPU效率低，可以调用信号量获取函数阻塞等待，当外设可读，在其中断函数中发送信号量，唤醒任务执行读取操作。
（中断中必须使用带有 FromISR结尾的 API）

semaphore

// 信号量句柄
SemaphoreHandle_t xSemaphore;

void vATask( void * pvParameters )
{
    // 创建二进制信号量
    xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

    if( xSemaphore == NULL )
    {
        //heap 空间不够 ，创建失败
    }
    else
    {
        // 信号量获取 设置阻塞时间 10 ticks
        if( xSemaphoreTake( xSemaphore, ( TickType_t ) 10 ) == pdTRUE )
        {
            // 获取到信号量 ！ 
            //...
            // 如果任务中发送信号量
            //xSemaphoreGive( xSemaphore );
        }
        else
        {
                // 等待 10 tick 无法获取信号量
                // 超时返回
        }
    }
}

// 中断
void vTimerISR( void * pvParameters )
{
    static signed BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken;
    xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    // 发送信号量
    // 传递参数判断是否有高优先级任务就绪
    xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken );
    // 判断是否需要触发任务切换
    portYIELD_FROM_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );
}

如果把信号量作为互斥锁使用，则任务在获取信号后，处理完毕需要返回。

FreeRTOS 在 8.20 版本提供了一种更加轻量级的任务同步，任务通知，由于该方式是集合在任务控制块的，所以不需要额外的内存消耗，推荐使用。

二进制信号量实现

以下看看 FreeRTOS 如何基于队列实现信号量的。

创建信号量

在信号量定义头文件可以找到该宏的定义，可以发现，创建一个信号量，实际上是创建了一个队列，队列深度设置为1个，同时， semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH 这个宏的值为0，即 item size 为0，表示信号量这个队列没有队列项存储空间，因为对于信号量，没有这个需要，
对于二进制信号量，创建后默认初始化其 uxMessageWaiting 为0，当有信号发出时，该值变为1（最大也只能为1），此时信号量有效，如果有任务获取消费了信号量，该变量再次变为0，信号量无效，有任务在次调用获取信号量，可能阻塞等待或者返回信号量空。

#define xSemaphoreCreateBinary()    \
    xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1, \
        semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, \
        queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE )

获取信号量

任务调用接口获取信号量，可以通过如下宏实现：

#define xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )    \
    xQueueGenericReceive( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), \
    NULL,( xBlockTime ), pdFALSE )

这个函数是供任务调用的，可以看到该函数实际上调用的是队列的接收函数，由于没有数据可读，传递的指针为 NULL。
函数调用设置阻塞时间，如果调用函数时信号量无效，则会阻塞任务等待。

如果是在中断中，则必须调用如下宏

#define xSemaphoreTakeFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )\
    xQueueReceiveFromISR( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), \
        NULL, ( pxHigherPriorityTaskWoken ) )

函数 xSemaphoreTakeFromISR是供中断调用的，做了中断优先级处理，并且不会阻塞。