摘要(From AI):
这篇博客详细介绍了 FreeRTOS 中二值信号量和计数信号量的基本概念、API 使用方法及实际应用场景，辅以完整的示例代码，适合初学者学习

前言：本文档是本人在依照B站UP：Michael_ee的视频教程进行学习时所做的学习笔记，可能存在疏漏和错误，如有发现，望指正。

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参考资料
Michael_ee视频教程
freeRTOS官网
espressif 在线文档

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Binary Semaphore

Semaphore：信号量，用于控制 Task 进行同步，Binary 表示这个信号量只有两个值 0/1

xSemaphoreCreateBinary()

创建一个二值信号量，并返回一个句柄供引用。

#include “FreeRTOS.h”
#include “semphr.h”SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );

关键点
内存分配

• 自动从 FreeRTOS 堆中分配所需内存。
• 如果需要静态分配内存，可使用 xSemaphoreCreateBinaryStatic()
  初始状态：
• 信号量以空状态创建。
• 必须先通过 xSemaphoreGive() 给予信号量，才能通过 xSemaphoreTake() 获取

参数
无

返回值

• NULL信号量创建失败（堆内存不足）

• 非空句柄：信号量创建成功，返回的句柄可用于引用该信号量

过时 API

• 旧的 vSemaphoreCreateBinary() 宏已被废弃，且不应在新应用中使用。
• xSemaphoreCreateBinary() 创建的信号量默认为“空状态”，而 vSemaphoreCreateBinary() 默认为“非空状态”

使用前提

• 配置要求：
  • 确保在 FreeRTOSConfig.h 中启用 configSUPPORT\_DYNAMIC\_ALLOCATION

xSemaphoreGive()

释放（或“给予”）一个先前创建并已成功“获取”的信号量

#include “FreeRTOS.h”
#include “semphr.h”BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

参数

• xSemaphore：要释放的信号量，类型为 SemaphoreHandle\_t，必须在使用前显式创建（如通过 vSemaphoreCreateBinary()、 xSemaphoreCreateCounting() 或 xSemaphoreCreateMutex()）

返回值

• pdPASS：操作成功，信号量被成功释放

• pdFAIL：操作失败，因为调用任务不是信号量的持有者。任务必须先成功“获取”信号量后才能释放

xSemaphoreTake()

获取（或“占用”）一个先前通过 vSemaphoreCreateBinary()、 xSemaphoreCreateCounting() 或 xSemaphoreCreateMutex() 创建的信号量

#include “FreeRTOS.h”
#include “semphr.h”BaseType_t xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait );

参数

• xSemaphore：要获取的信号量，类型为 SemaphoreHandle_t，必须在使用前显式创建
• xTicksToWait：任务等待信号量可用的最大时间（以 FreeRTOS 系统时钟节拍为单位）
  • 0：若信号量不可用，立即返回
  • portMAX_DELAY：任务将无限期等待信号量可用（需在 FreeRTOSConfig.h 中启用 INCLUDE_vTaskSuspend）
  • 使用 pdMS_TO_TICKS() 宏可将毫秒时间转换为节拍时间

返回值

• pdPASS：信号量获取成功
  • 如果指定了等待时间（ xTicksToWait 非零），任务可能被阻塞，直到信号量可用
• pdFAIL：信号量获取失败
  • 如果指定了等待时间，任务会阻塞等待，但超时后仍未获取到信号量

注意事项：

• 必须从运行中的任务中调用，不能在调度器启动前或初始化阶段调用

• 不应在临界区或调度器暂停时调用

Example Code: Binary Semaphore for Task Synchronization

• 由于任务的优先级相同，FreeRTOS 调度器会以时间片轮转方式调度两个任务
  信号量保证了两个任务不会同时操作共享变量 iCount ，从而避免数据竞争

Task1 和 Task2 都会试图对共享变量 iCount 进行递增操作：

• 每次操作前，任务会调用 xSemaphoreTake() 获取信号量，以独占访问资源
• 操作完成后，调用 xSemaphoreGive() 释放信号量，允许其他任务访问

#include <stdio.h>  
#include <inttypes.h>  
#include "sdkconfig.h"  
#include "freertos/FreeRTOS.h"  
#include "freertos/task.h"  
#include "esp_chip_info.h"  
#include "esp_flash.h"  
#include "esp_system.h"
#include "esp_log.h"#include "freertos/semphr.h" // 信号量头文件int iCount = 0;
SemaphoreHandle_t semaphoreHandle = NULL;void myTask1(void *pvParameters)
{while(1){xSemaphoreTake(semaphoreHandle, portMAX_DELAY);// 锁住信号量for(int i = 0; i < 10; i++){iCount++;ESP_LOGI("Task1", "iCount = %d\n", iCount);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));}xSemaphoreGive(semaphoreHandle);// 释放信号量vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));}
}void myTask2(void *pvParameters)
{while(1){xSemaphoreTake(semaphoreHandle, portMAX_DELAY);// 锁住信号量for(int i = 0; i < 10; i++){iCount++;ESP_LOGI("Task2", "iCount = %d\n", iCount);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));}xSemaphoreGive(semaphoreHandle);// 释放信号量vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));}
}void app_main(void)
{semaphoreHandle = xSemaphoreCreateBinary();xSemaphoreGive(semaphoreHandle);xTaskCreate(myTask1, "Task1", 2048, NULL, 5, NULL);xTaskCreate(myTask2, "Task2", 2048, NULL, 5, NULL);
}

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Count Semaphore

计数型信号量（Counting Semaphore） 用于在任务或中断之间实现资源的共享与同步。它与二值信号量的主要区别在于其内部维护了一个计数器，允许多个任务或中断“获取”信号量，而无需严格的互斥限制

xSemaphoreCreateCounting()

创建一个计数型信号量，返回一个句柄用于引用该信号量。信号量可用于事件计数或资源管理
用途

1. 事件计数
   • 用于记录事件发生的次数
   • 每次事件发生时调用 xSemaphoreGive() 增加计数，任务通过 xSemaphoreTake() 处理事件并减少计数
   • 初始计数值应为 0
2. 资源管理
   • 用于管理一定数量的共享资源
   • 每次任务获取资源时调用 xSemaphoreTake()，计数值减少；释放资源时调用 xSemaphoreGive()，计数值增加
   • 初始计数值应为可用资源的数

#include “FreeRTOS.h”
#include “semphr.h”SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting( UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount );

内存分配

• 如果使用 xSemaphoreCreateCounting()，所需内存会自动从 FreeRTOS 堆中分配

• 如果使用 xSemaphoreCreateCountingStatic()，则需要用户提供内存，实现静态分配

参数

• uxMaxCount：信号量的最大计数值。当信号量达到此值时，不能再“给予”信号量
• uxInitialCount：信号量的初始计数值

返回值

• NULL：创建失败，通常由于堆内存不足
• 非空句柄：信号量创建成功，可通过返回的句柄引用信号量

注意事项：

• 必须在 FreeRTOSConfig.h 中启用 configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION

uxSemaphoreGetCount()

返回信号量的当前计数值

#include “FreeRTOS.h”
#include “semphr.h”UBaseType_t uxSemaphoreGetCount( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

参数

• xSemaphore：信号量的句柄，用于指定需要查询的信号量

返回值
返回指定信号量的当前计数值
此功能可用于实时监控信号量的状态或判断可用资源的数量

Example Code: Counting Semaphore for Parking Lot Management

资源管理
信号量的计数值表示资源的当前可用数量，通过动态增减信号量，实现对有限资源（如停车位）的精确管理。
任务协调
通过信号量，确保多个任务对共享资源的访问井然有序，避免资源竞争和冲突。

#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
#include "sdkconfig.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_chip_info.h"
#include "esp_flash.h"
#include "esp_system.h"
#include "esp_log.h"#include "freertos/semphr.h" // 信号量头文件int iCount = 0;
SemaphoreHandle_t semaphoreHandle = NULL;void carInTask(void *pvParameters)
{int empty = 0;while (1){empty = uxSemaphoreGetCount(semaphoreHandle); // 获取信号量剩余数量ESP_LOGI("carInTask", "empty = %d\n", empty);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));if (xSemaphoreTake(semaphoreHandle, 0) == pdPASS){ESP_LOGI("carInTask", "carIn\n");}else{ESP_LOGI("carInTask", "carIn failed\n");}}
}void carOutTask(void *pvParameters)
{while (1){vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(6000));xSemaphoreGive(semaphoreHandle);ESP_LOGI("carOutTask", "carOut\n");}
}void app_main(void)
{semaphoreHandle = xSemaphoreCreateCounting(5, 5);// xSemaphoreGive(semaphoreHandle);// 在使用计数信号量时，无需手动释放信号量xTaskCreate(carInTask, "carInTask", 2048, NULL, 5, NULL);xTaskCreate(carOutTask, "carOutTask", 2048, NULL, 5, NULL);
}