详细介绍FreeRTOS系统中信号量的使用方法

最新推荐文章于 2025-10-09 15:53:35 发布

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#单片机 #freeRTOS #信号量使用

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一、二进制信号量（Binary Semaphores）

特点

常用 API

示例：任务与中断同步

二、计数信号量（Counting Semaphores）

特点

常用 API

示例：限制共享资源访问数量

三、互斥信号量（Mutex Semaphores）

在 FreeRTOS 中，信号量（Semaphores）是一种用于任务同步、互斥访问共享资源或限制资源访问数量的核心机制。它通过一个整数计数器实现，支持两种基本操作：xSemaphoreTake()（获取信号量，计数器减 1）和 xSemaphoreGive()（释放信号量，计数器加 1）。

FreeRTOS 提供三种类型的信号量，每种适用于不同场景，下面详细介绍其使用方法：

一、二进制信号量（Binary Semaphores）

特点

计数器只能为 0 或 1，适用于「事件同步」（如任务等待某个事件发生）。
通常由一个任务 / 中断释放信号量，另一个任务等待信号量。

常用 API

创建：xSemaphoreCreateBinary()
初始值为 0（需先调用 xSemaphoreGive() 才能获取）。
获取：xSemaphoreTake(xSemaphore, xTicksToWait)
若计数器为 1，获取成功（计数器变为 0）；若为 0，任务进入阻塞态等待 xTicksToWait 个时钟节拍。
释放：xSemaphoreGive(xSemaphore)
计数器从 0 变为 1，唤醒等待的任务（若有）。
中断中释放：xSemaphoreGiveFromISR(xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken)
用于在中断服务程序（ISR）中释放信号量。

示例：任务与中断同步

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

// 定义二进制信号量句柄
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

// 中断服务程序（例如定时器中断）
void TIM_IRQHandler(void) {
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    
    // 释放信号量，通知任务事件发生
    xSemaphoreGiveFromISR(xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);
    
    // 若有更高优先级任务被唤醒，请求上下文切换
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
    
    // 清除中断标志（硬件相关）
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
}

// 处理事件的任务
void vHandlerTask(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        // 等待信号量（无限等待，直到中断触发）
        xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY);
        
        // 信号量被释放，执行事件处理逻辑
        printf("Event received! Processing...\r\n");
    }
}

int main(void) {
    // 初始化硬件（如定时器，此处省略）
    
    // 创建二进制信号量（初始值为0）
    xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();
    if (xBinarySemaphore != NULL) {
        // 创建处理任务
        xTaskCreate(vHandlerTask, "Handler", 128, NULL, 1, NULL);
        
        // 启动调度器
        vTaskStartScheduler();
    }
    
    // 若调度器启动失败，进入死循环
    for (;;);
    return 0;
}

二、计数信号量（Counting Semaphores）

特点

计数器可在 0 到用户指定的最大值之间变化，适用于「限制资源访问数量」（如有限个外设接口）。
例如：3 个 UART 接口，最多允许 3 个任务同时使用。

常用 API

创建：xSemaphoreCreateCounting(uxMaxCount, uxInitialCount)
- uxMaxCount：计数器最大值
- uxInitialCount：初始值
获取 / 释放：与二进制信号量相同（xSemaphoreTake()/xSemaphoreGive()）。

示例：限制共享资源访问数量

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

// 创建计数信号量：最多允许2个任务同时访问资源
SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(2, 2);

// 访问资源的任务
void vResourceTask(void *pvParameters) {
    int taskId = *(int *)pvParameters;
    for (;;) {
        // 尝试获取信号量（等待100ms，若超时则放弃）
        if (xSemaphoreTake(xCountingSemaphore, pdMS_TO_TICKS(100)) == pdPASS) {
            // 获取成功，访问共享资源
            printf("Task %d is using the resource.\r\n", taskId);
            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 模拟资源使用
            
            // 释放信号量，允许其他任务访问
            xSemaphoreGive(xCountingSemaphore);
            printf("Task %d released the resource.\r\n", taskId);
        } else {
            // 获取超时
            printf("Task %d failed to get resource.\r\n", taskId);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

int main(void) {
    int task1Id = 1, task2Id = 2, task3Id = 3;
    
    if (xCountingSemaphore != NULL) {
        // 创建3个任务竞争2个资源
        xTaskCreate(vResourceTask, "Task1", 128, &task1Id, 1, NULL);
        xTaskCreate(vResourceTask, "Task2", 128, &task2Id, 1, NULL);
        xTaskCreate(vResourceTask, "Task3", 128, &task3Id, 1, NULL);
        
        vTaskStartScheduler();
    }
    
    for (;;);
    return 0;
}

三、互斥信号量（Mutex Semaphores）

特点

专为「互斥访问共享资源」设计，解决多任务竞争问题（如共享变量、硬件寄存器）。
支持优先级继承机制：当低优先级任务持有互斥量时，若高优先级任务请求该互斥量，低优先级任务会临时提升优先级，避免优先级反转。
限制：只能由获取它的任务释放，不能在中断中使用。

常用 API

创建：xSemaphoreCreateMutex()
初始值为 1（可用状态）。
获取 / 释放：与其他信号量相同，但 xSemaphoreGive() 必须由获取信号量的任务调用。

示例：保护共享变量

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

// 互斥信号量句柄
SemaphoreHandle_t xMutex;
// 共享变量（需保护）
int32_t lSharedValue = 0;

// 任务1：递增共享变量
void vIncrementTask(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        // 获取互斥量（无限等待）
        xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);
        
        // 临界区：安全修改共享变量
        lSharedValue++;
        printf("Increment: %d\r\n", lSharedValue);
        
        // 释放互斥量
        xSemaphoreGive(xMutex);
        
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

// 任务2：读取共享变量
void vPrintTask(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        // 获取互斥量
        xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);
        
        // 临界区：安全读取共享变量
        printf("Current value: %d\r\n", lSharedValue);
        
        // 释放互斥量
        xSemaphoreGive(xMutex);
        
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));
    }
}

int main(void) {
    // 创建互斥信号量
    xMutex = xSemaphoreCreateMutex();
    if (xMutex != NULL) {
        xTaskCreate(vIncrementTask, "Increment", 128, NULL, 1, NULL);
        xTaskCreate(vPrintTask, "Print", 128, NULL, 2, NULL);
        
        vTaskStartScheduler();
    }
    
    for (;;);
    return 0;
}

四、信号量使用注意事项

中断安全：
- 二进制信号量和计数信号量可在中断中使用 xSemaphoreGiveFromISR() 释放，但不能在中断中调用 xSemaphoreTake()（会导致阻塞）。
- 互斥信号量禁止在中断中使用。
优先级继承：
仅互斥信号量支持优先级继承，二进制信号量不支持，因此互斥场景应优先使用互斥信号量。
资源释放：
- 若任务在持有信号量时被删除，需确保信号量被释放，否则会导致资源永久不可用。
- 可使用 vSemaphoreDelete() 删除不再使用的信号量。
等待时间：
- xSemaphoreTake() 的 xTicksToWait 参数设为 0 表示不阻塞，立即返回；设为 portMAX_DELAY 表示无限等待。

总结

信号量类型	核心用途	计数器范围	优先级继承	中断中可用
二进制信号量	任务与事件同步	0 或 1	不支持	释放操作
计数信号量	限制资源访问数量	0~N	不支持	释放操作
互斥信号量	共享资源互斥访问	0 或 1	支持	不可用