【FreeRTOS】FreeRTOS计数信号量

迈不过友情╰ 2023-05-31 06:58 32阅读 0赞

# 第21章节 FreeRTOS计数信号量 #

**注意** ：该文章摘录自：

新浪博客：http://blog.sina.com.cn/s/blog\_98ee3a930102wgpe.html

本章节介绍了讲解了FreeRTOS任务间的同步和资源共享机制，计数信号量。FreeRTOS中计数信号量的源码实现是基于消息队列实现。

本章教程配套的例子含Cortex-M3内核的STM32F103和Cortex-M4内核的STM32F407以及F429

21.1 信号量

21.2 计数信号量API函数

21.3 实验例程说明(任务间通信)

21.4 实验例程说明(中断方式通信)

21.5 总结

## 21.1 信号量 ##

### 21.1.1 信号量的概念及其作用 ###

信号量（Semaphores）是20世纪60年代中期的Edgser Dijkstra发明的。使用信号量的最初目的是给共享资源建立一个标志，该标志表示该共享资源被占用情况。这样，当一个任务在访问共享资源之前，就可以先对这个标志进行查询，从而在了解资源被占用的情况之后，在决定自己的行为。

实际的应用中，信号量的作用又该如何体现呢？比如有个30人的电脑机房，我们就可以创建信号量的初始值是30，表示30个可用资源，不理解的初学者表示信号量还可以有初始值？是的，信号量说白了就是共享资源的数量。另外我们要求一个同学使用一台电脑，这样每个同学使用一台电脑，那么信号量的数值就减一，直到30台电脑都被占用，此时的信号量的数值就是0。如果此时还有几个同学没有电脑使用，那么这几个同学就等待，直到同学离开。有一个同学离开，那么信号量的数值就加1，有两个就加2，依此类推。刚才没有电脑用的同学就有电脑可以用了，有几个同学用，信号量就减几，直到再次没有电脑可以用，这么一个过程就是使用信号量来管理共享资源的过程。

平时使用信号量主要实现以下两个功能：

*  两个任务之间或者中断函数跟任务之间的同步功能，这个和前面章节讲解的事件标志组是类似的。其实就是共享资源为1的时候。
 *  多个共享资源的管理，就像上面举的机房上机的例子。

针对这两个功能，FreeRTOS分别提供了二值信号量和计数信号量，其中二值信号量可以理解成计数信号量的一种特殊形式，即初始化为仅一个资源可用，只不过FreeRTOS对这种都提供了API，而像RTX，uCOS-II，III是仅提供了一个信号量功能，设置不同的初始值就可以分别实现二值信号量和计数信号量。当然，FreeRTOS使用计数信号量也能够实现同样的效果。

实际上信号量还有很多其它用法，而且极具挑战性，可以大大的开拓大家的视野，有兴趣的同学可以阅读以下《The Little Boob Of Semaphores》，作者是Allen B.Downy。

### 21.1.2 FreeRTOS任务间计数信号量的实现 ###

任务间信号量的实现是指各个任务之间使用信号量实现**任务同步**或者**资源共享**功能。下面我们通过如下框图来说明以下FreeRTOS计数信号量的实现，让大家有一个形象的认识。

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**运行条件**：

*  创建2个任务Task1和Task2。
 *  创建计数信号量可用资源为1。

**运行过程描述如下**：

*  任务Task1运行过程中调用函数xSemaphoreTake获取信号量资源，如果信号量没有被任务Task2占用，Task1将直接获取资源。如果信号量被Task2占用，任务Task1将由运行态转到阻塞状态，等待资源可用。一旦获取了资源并且使用完毕后会通过函数xSemaphoreGive释放掉资源。
 *  任务Task2运行过程中调用了函数xSemaphoreTake获取信号量资源，如果信号量没有被任务Task1占用，Task2将直接获取资源。如果信号量被Task1占用，任务Task2由运行态转到阻塞状态，等待资源可用。一旦获取了资源并使用完毕后会通过函数xSemaphoreGive释放掉资源。

上面是一个简单的FreeRTOS任务间计数信号量的使用过程。

### 21.1.3 FreeRTOS中断方式计数信号量的实现 ###

FreeRTOS中断方式的信号量的实现是指中断函数和FreeRTOS任务之间使用信号量。信号量的中断方式主要是用于实现任务同步，与前面章节讲解事件标志组中断方式是一样的。

下面我们通过如下的框图说明一下FreeRTOS中断方式信号量的实现，让大家有一个形象的认识。

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**运行条件:**

*  创建一个任务Task1和一个串口接受中断。
 *  信号量的初始值为0，串口中断调用函数xSemaphoreGiveFromISR释放信号量，任务Task1调用函数xSemaphoreTake获取信号量资源。

**运行过程描述如下：**

*  任务Task1运行过程中调用函数xSemaphoreTake，由于信号量的初始值是0，没有信号量资源可用，Task1由运行状态到阻塞状态。
 *  Task1阻塞的情况下，串口接收到数据进入到了串口中断服务程序，在串口中断服务程序中调用函数xSemaphoreGiveFromISR释放信号量资源，信号量数值加1，此时信号量计数值为1，任务Task1由阻塞状态进入就绪状态，在调度器的作用下由就绪状态又进入运行态，任务Task1获得信号量后，信号量数值减1，此时信号量计数又变成了0。
 *  再次循环执行任务，任务Task1调用函数xSemaphoreTake由于没有资源可用再次进入到阻塞态，等待串口释放信号量资源，如此往复循环。

上面就是一个简单的FreeRTOS中断方式同步过程。实际应用中，中断方式的消息机制要注意以下四个问题：

*  中断函数的执行时间越短越好，防止其他低于这个中断优先级的异常得不到及时响应。
 *  实际应用中，建议不要在中断实现消息处理，用户可以在中断服务程序里发送消息通知任务，在任务中实现消息处理，这样可以有效地保证中断服务程序的实时响应。同时此任务也需要设置为高优先级，以便中断函数后任务可以得到及时执行。
 *  中断服务程序中一定要调用专用于中断的信号量设置函数，即以FromISR结尾的函数。
 *  在操作系统中实现中断服务程序与裸机编程的区别：
    
     *  如果FreeRTOS工程的中断函数中没有调用FreeRTOS的信号量API函数，与裸机编程是一样的。
     *  如果FreeRTOS工程的中断函数中调用了FreeRTOS的API函数，退出的时候要检测是否有高级优先级任务就绪，如果有就绪的，需要在退出中断后进行任务切换，这点与裸机编程稍有区别，详见21.4小结实验例程说明（中断方式）：
     *  例外强烈推荐用户将Cortex-M3内核的STM32F103和Cortex—M4内核的STM32F407，F429的NVIC优先级分组设置为4，即：NVIC\_PriorityGroupCofig(NVIC\_PriorityGroup\_4)；这样中断优先级管理将非常方便。
     *  用户要在FreeRTOS多任务开启钱就设置好优先级分组，一旦设置好切记不可再修改。

## 21.2计数信号量API函数 ##

使用如下的18个函数可以实现FreeRTOS的信号量（含计数信号量，二值信号量与互斥信号）:

*  `xSemaphoreCreateBinary()`
 *  `xSemaphoreCreateBinaryStatic()`
 *  `vSemaphoreCreateBinary()`
 *  `xSemaphoreCreateCounting()`
 *  `xSemaphoreCreateCountingStatic()`
 *  `xSemaphoreCreateMutex()`
 *  `xSemaphoreCreateMutexStatic`
 *  `xSem'CreateRecursiveMutex()`
 *  `xSem'CreateRecursiveMutexStatic()`
 *  `vSemaphoreDelete()`
 *  `xSemaphoreGetMutexHolder()`
 *  `uxSemaphoreGetCount()`
 *  `xSemaphoreTake()`
 *  `xSemaphoreTakeFromISR()`
 *  `xSemaphoreTakeRecursive()`
 *  `xSemaphoreGive()`
 *  `xSemaphoreGiveRecursive()`
 *  `xSemaphoreGiveRecursive()`

关于这18个函数的讲解及其使用方法可以看FreeRTOS在线版手册：

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