FreeRTOS——信号量

一、概念及其应用

1.1定义

1.2作用

二、二值信号量

2.1定义

2.2二值信号量工作机制

2.3二值信号量应用场景—同步

2.4二值信号量API

2.4.1创建二值信号量

2.4.2任务中释放信号量

2.4.3中断中释放信号量

2.4.4任务中获取信号量

2.4.5中断中获取信号量

三、计数信号量

3.1定义

3.2作用

3.3创建计数信号量

3.4获取当前计数信号量的值

四、实现原理

队列、信号量、互斥信号量都是为了解决任务和中断之间通讯、同步、互斥的问题

一、概念及其应用

1.1定义

信号量是应用层面实现任务与任务或任务与中断间通信的机制，可以类比裸机编程中的标志位

1.2作用

实现任务与任务或任务与中断间的同步功能(二值信号量)、资源管理(计数信号量)、临界资源的互斥访问(互斥信号量)

容易混淆：

临界段是内核的一种处理机制，不让任务或大部分中断打断

消息队列是实现任务与任务或任务与中断间通信的数据结构，可类比裸机编程中的数组，消息队列中的数据是重要的，而信号量中不关心数据，只关心是否为空

二、二值信号量

2.1定义

当信号量被获取了，信号量值变为0；当信号量被释放了，信号量值变为1。把这种取值只有0与1两种状态的信号量称之为二值信号量。创建二值信号量时，系统会为创建的二值信号量分配内存

二值信号量是一种长度为1，消息大小为0的特殊消息队列。 因为这个队列只有空或满两种状态，而且消息大小为0，因此在运用时，只需要知道队列中是否有消息即可，而无需关注消息是什么

2.2二值信号量工作机制

TASK1阻塞等待信号量，直到TASK2释放后获得，解除阻塞态

2.3二值信号量应用场景—同步

1.任务与任务中同步的应用场景:

假设有一个温湿度传感器，每1s采集一次数据，把它采集的数据用液晶显示，液晶屏上的数据最快也只能是1s。但如果液晶屏刷新的周期是100ms，若温湿度数据还没更新，液晶屏根本无须刷新，只需要在1s后温湿度数据更新时刷新即可，否则CPU白白做了多次的无效数据更新操作，造成 CPU 资源浪费。要是液晶屏刷新的周期是 10s，那么温湿度的数据都变化了10次，液晶屏才来更新数据，那么这个产品测得的结果就是不准确的，所以还是需要同步协调工作，在温湿度采集完毕之后进行液晶屏数据的刷新，这样得到的结果才是最准确的，并且不会浪费 CPU 的资源。

2.任务与中断中同步的应用场景:

在串口接收中，我们不知道什么时候有数据发送过来，但如果设置一个任务专门时刻查询是否有数据到来，将会浪费CPU资源，所以在这种情况下使用二值信号量是很好的办法：当没有数据到来时，任务进入阻塞态，不参与任务的调度;等到数据到来了，释放一个二值信号量，任务就立即从阻塞态中解除，进入就绪态，然后在运行时处理数据，这样系统的资源就会得到很好的利用。

2.4二值信号量API

2.4.1创建二值信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"/*创建二值信号量*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreatBinary(void)func:dynamically creat binary semaphore and return  semaphore_handle //创建二值信号量并返回句柄，初始化信号量值为0return: NULL： 堆空间不足Any other value: 成功返回的句柄matters needing attention: 
configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION必须置1

2.4.2任务中释放信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"/*任务中释放信号量（无论是哪种具体的信号量 都用这个API！！！）*/
BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore)func:release semaphore in task//任务中释放信号量params：xSemaphore    return: pdTRUE： 释放成功pdFAIL： 因为信号量的实现是基于消息队列，返回失败的主要原因是消息队列已经满了matters needing attention: 
此函数不支持使用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的信号量

2.4.3中断中释放信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"/*中断中释放信号量（无论是哪种具体的信号量 都用这个API！！！）*/
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)func:release semaphore in ISR //中断中释放信号量    params：xSemaphore 句柄pxHigherPriorityTaskWoken 用于保存是否有高优先级任务准备就绪 意味着释放信号量成功后，是否进行上下文切换（pdTRUE） 一般使用NULLreturn: pdTRUE：        释放成功errQUEUE_FULL： 已经释放过了，相当于信号量的值顶满了 1~1matters needing attention: 
此函数不支持使用 xSemaphoreCreateMutex ()创建的信号量

2.4.4任务中获取信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"/*任务中获取信号量（无论是哪种具体的信号量 都用这个API！！！）*/
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait)func:get semaphore in task//任务中获取信号量    params：xSemaphore   句柄xTicksToWait 阻塞时间 portMAX_DELAY表示一直“痴情”等return: pdTRUE： 获取成功pdFAIL： 获取失败matters needing attention: 
此函数不支持使用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的信号量

2.4.5中断中获取信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"/*中断中获取信号量（无论是哪种具体的信号量 都用这个API！！！）*/
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)func:get semaphore in isr//中断中获取信号量    params：xSemaphore 句柄pxHigherPriorityTaskWoken 用于保存是否有高优先级任务准备就绪 意味着释放信号量成功后，是否进行上下文切换（pdTRUE） 一般使用NULL   return: pdTRUE： 获取成功pdFAIL： 获取失败matters needing attention: 
只能在中断中调用，没有阻塞功能

三、计数信号量

3.1定义

取值为0~n（n>1具体用户决定）的信号量

3.2作用

计数信号量是资源管理的重要手段，主要用于任务与任务间。

3.3创建计数信号量

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"/*创建计数信号量*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreatCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount)func:dynamically creat counting semaphore and return  semaphore_handle //创建、初始化计数信号量并返回句柄param： uxMaxCount       最大值uxInitialCount   初始值  return: NULL： 堆空间不足Any other value: 成功返回的句柄matters needing attention: 
configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION必须置1
USE_COUNTING_SEMAPHORE必须置1

3.4获取当前计数信号量的值

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"/*获取当前计数信号量的值*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreGetCount(SemaphoreHandle_t xSemaphore)func:return current value of counting semaphore //返回当前计数信号量的值param： xSemaphore  计数信号量句柄matters needing attention: None

四、实现原理

信号量是基于消息队列实现的机制，这点在代码中有很好的印证

1.二值信号量的创建

xSemaphoreCreatBinary(队列长度=1，ItemSize=0,消息队列类型参数)

消息大小为0因为消息空间没有意义

2.计数信号量

xSemaphoreCreatCounting() 实际接口xQueueCreatCountingSemaphore()，内部调用消息队列的创建API

uxMessageWaiting = uxInitialCount 表示创建后就可获取，不用阻塞等待

3.信号量的删除

完全拷贝消息队列的删除

4.释放信号量

Give对应Send，任务级对应任务级，中断级对应中断级。

消息队列的发送/接收都有阻塞任务的功能，但信号量的释放是把阻塞参数设为0，因为信号量释放是一个紧急事件，当信号量资源达到最大，就不需要再等待其他任务使用

中断中的Give实际又封装了一个消息队列give的API，与send的区别就是没有数据拷贝功能（也不需要），因为信号不占用空间

5.获取信号量

如同Give对应Send，Take则对应Receive，区别就是接收缓冲区=NULL，出队固定删除空间