FreeRTOS源码分析-8 信号量
1 信号量概念及应用
信号灯解决的问题：
行人、车辆共享一个马路共享资源的问题，第二个解决通过的问题。
计数停车位的问题：
解决共享资源停车位计数的问题，因为车位是有限的，客流是无限的，计数可以很好的解决这个问题。
FreeRTOS提供了3种信号量：二值信号量、计数信号量、互斥信号量。三种信号量都是基于消息队列开发的，因为消息队列既能计数又能阻塞。
二值信号量： 二值信号量是最简单的信号量类型，只有两个状态：0和1。它常用于控制共享资源的访问权。当一个任务想要访问临界资源时，首先会尝试获取二值信号量。如果信号量的值为1，表示资源可用，任务可以继续执行；如果信号量的值为0，表示资源被占用，任务会被阻塞等待。当资源释放后，持有该信号量的任务会将信号量的值置为1，唤醒等待的任务。
计数信号量： 计数信号量可以有多个状态值，用于控制多个任务对共享资源的访问。当一个任务想要访问临界资源时，它会尝试获取计数信号量。如果信号量的值大于0，则表示资源可用，任务可以继续执行，并将信号量的值减少1。如果信号量的值为0，则表示资源暂时不可用，任务会被阻塞等待。当资源释放后，持有该信号量的任务会将信号量的值增加，并唤醒等待的任务。
2 二值信号量函数应用
2.1 功能需求
- 修改按键功能
- 当按键按下触发打印一次CPU利用率
- 使用二值信号量实现按键与任务间同步
2.2 API介绍
这里errQUEUQ_FULL代表信号量释放失败，已经信号量可用了，与上面有所区别。
2.3 功能实现
利用FreeRTOS创建一个信号量
创建信号量，创建函数在MX_FREERTOS_Init中
void MX_FREERTOS_Init(void) {
/* definition and creation of CpuPrintfBinarySem */
osSemaphoreDef(CpuPrintfBinarySem);
CpuPrintfBinarySemHandle = osSemaphoreCreate(osSemaphore(CpuPrintfBinarySem), 1)；
//其他业务省略
}按键按下时给出信号量
#include "gpio.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"
teKeyStatus KeyStatus;
extern osSemaphoreId CpuPrintfBinarySemHandle; //扩展引用信号量句柄
void MX_GPIO_Init(void)
{
//略
}
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){
if(Key3_Pin == GPIO_Pin){
if(HAL_GPIO_ReadPin(Key3_GPIO_Port,Key3_Pin) == GPIO_PIN_RESET){
HAL_Delay(10);
if(HAL_GPIO_ReadPin(Key3_GPIO_Port,Key3_Pin) == GPIO_PIN_RESET){
printf("key3 is down!\r\n");
//按键按下时，给出信号量（中断中）
xSemaphoreGiveFromISR(CpuPrintfBinarySemHandle,NULL);
}
}else{
HAL_Delay(10);
if(HAL_GPIO_ReadPin(Key3_GPIO_Port,Key3_Pin) == GPIO_PIN_SET){
printf("key3 is up!\r\n");
}
}
}
}Key任务中获取信号量（任务中去除了OsDelay（10），CPU使用率得到了提升）
void Key_Task(void const * argument)
{
KeyStatus = KEY_RESET;
for(;;)
{
//获取信号量后执行函数
if(xSemaphoreTake(CpuPrintfBinarySemHandle,portMAX_DELAY) == pdPASS){
memset(u8TaskListBuff,0,400);
vTaskGetRunTimeStats((char*)u8TaskListBuff);
printf("Name Abs Time Time\r\n");
printf("******************************************************\r\n");
printf("%s",u8TaskListBuff);
printf("******************************************************\r\n");
KeyStatus = KEY_RESET;
}
}
}3 计数信号量函数应用
3.1功能需求
- 修改按键功能，模拟停车位出入功能（创建信号量）
- 当按键K3按下获取车位（获取信号量）
- 当按键K4按下释放车位（释放信号量）
3.2API介绍
3.3功能实现
CubeMX配置使能计数信号量
创建信号量
//FreeRTOS会根据CubeMX帮我们创建任务
osSemaphoreDef(KeyCountingSem);
KeyCountingSemHandle = osSemaphoreCreate(osSemaphore(KeyCountingSem), 4);KEY3按下获取信号量，KEY4按下释放信号量
//按键检测回调函数
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){
//是不是KEY3
if(Key3_Pin == GPIO_Pin)
{
//key3是否按下
if(HAL_GPIO_ReadPin(Key3_GPIO_Port,Key3_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
{
//软件去抖动
HAL_Delay(10);
if(HAL_GPIO_ReadPin(Key3_GPIO_Port,Key3_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
{
//建立一个标志位
printf("key3 is down!\r\n");
KeyStatus = KEY_DOWN;
if(xSemaphoreTakeFromISR(KeyCountingSemHandle,NULL) == pdPASS)
{
printf("获取车位成功！\r\n");
}
else{
printf("获取车位失败！ 车位已经占满！\r\n");
}
}
}
else
{
//软件去抖动
HAL_Delay(10);
if(HAL_GPIO_ReadPin(Key3_GPIO_Port,Key3_Pin) == GPIO_PIN_SET)
{
//建立一个标志位
printf("key3 is up!\r\n");
KeyStatus = KEY_UP;
}
}
}
//是不是Key4
if(Key4_Pin == GPIO_Pin){
//Key4是否按下
if(HAL_GPIO_ReadPin(Key4_GPIO_Port,Key4_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
{
//软件去抖动
HAL_Delay(10);
if(HAL_GPIO_ReadPin(Key4_GPIO_Port,Key4_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
{
//建立一个标志位
printf("Key4 is down!\r\n");
KeyStatus = KEY_DOWN;
if(xSemaphoreGiveFromISR(KeyCountingSemHandle,NULL) == pdPASS)
{
printf("释放车位成功！\r\n");
}
else
{
printf("释放车位失败！ 车位为空！\r\n");
}
}
}
else
{
//软件去抖动
HAL_Delay(10);
if(HAL_GPIO_ReadPin(Key4_GPIO_Port,Key4_Pin) == GPIO_PIN_SET
{
//建立一个标志位
printf("Key4 is up!\r\n");
KeyStatus = KEY_UP;
}
}
}
}4 信号量实现原理
创建和删除
计数信号量创建内部也是调用xQueueGenericCreate，这个源码在消息队列中已经介绍过，只要分析消息队列长度、队列的类型
创建源码分析（删除参考消息队列）
#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
#define xSemaphoreCreateBinary()
/*
1、队列长度=1 二值信号的值 无非就是0和1
2、队列项的长度=semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH = ( ( uint8_t ) 0U )消息空间没有意义
3、队列的类型=queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE =( ( uint8_t ) 3U ) 只用于调试使用
*/
xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1, semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE )
#endif
#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
/*
内部调用消息队列计数信号量的创建，重点分析它
*/
#define xSemaphoreCreateCounting( uxMaxCount, uxInitialCount )
xQueueCreateCountingSemaphore( ( uxMaxCount ), ( uxInitialCount ) )
#endif
/*
1、计数信号量的最大值
2、计数信号量的初始值
*/
QueueHandle_t xQueueCreateCountingSemaphore( const UBaseType_t uxMaxCount, const UBaseType_t uxInitialCount )
{
QueueHandle_t xHandle;
//调用消息队列的创建
xHandle = xQueueGenericCreate( uxMaxCount, queueSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE );
if( xHandle != NULL )
{
//uxMessagesWaiting:将要处理的消息个数，这个去接收，是不会进入阻塞态的
//赋值为计数信号量的初始值的目的，创建之后，就可以获取信号量，代表可用的资源数量
( ( Queue_t * ) xHandle )->uxMessagesWaiting = uxInitialCount;
traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE();
}
else
{
traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE_FAILED();
}
return xHandle;
}
信号量释放
信号量获取
信号量发送和接收源码分析
/*
消息队列的发送和接收，都有阻塞任务的功能
信号量的释放，却没有阻塞参数？？？？？
参数：
1、信号量的句柄
2、发送的缓冲区 NULL
3、阻塞等待时间 = semGIVE_BLOCK_TIME -= ( ( TickType_t ) 0U )？？？
信号量释放是一个紧急的事件，当信号量资源已经到达最大值时，就不需要再等待其他任务使用
所以不需要阻塞
4、队列插入方式=queueSEND_TO_BACK 队尾
*/
#define xSemaphoreGive( xSemaphore )
xQueueGenericSend( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), NULL, semGIVE_BLOCK_TIME, queueSEND_TO_BACK )
/*
1、再次封装了消息队列在中断中的发送接口xQueueGiveFromISR
2、区别就是 give没有copy的功能 -----因为信号量不占用内存空间
*/
#define xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )
xQueueGiveFromISR( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), ( pxHigherPriorityTaskWoken ) )
/*
1、句柄
2、接收缓冲区 = NULL
3、阻塞等待时间
4、是否允许 删除消息空间 = pdFALSE，不删除给其他任务使用
*/
#define xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )
xQueueGenericReceive( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), NULL, ( xBlockTime ), pdFALSE )
/*
1、句柄
2、接收缓冲区 = NULL
3、NULL
*/
#define xSemaphoreTakeFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )
xQueueReceiveFromISR( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), NULL, ( pxHigherPriorityTaskWoken ) )问： 消息队列的发送和接收，都有阻塞任务的功能，信号量的释放，却没有阻塞参数？
信号量释放是一个紧急的事件，当信号量资源已经到达最大值时，就不需要再等待其他任务使用，所以不需要阻塞