【Freertos基础入门】深入浅出信号量
文章目录
- 前言
- 一、Freertos的信号量是什么？
- 二、二进制信号量和计数型信号量是什么？
- 三、信号量初步了解
-
- 1.二进制信号量的使用
- 2.give和take是什么？
- 3.为什么需要动态和静态创建的方式？
- 四、二进制信号量示例代码
- 总结
前言
本系列基于stm32系列单片机来使用freerots
FreeRTOS是一个流行的实时操作系统，提供了许多功能强大的特性，其中包括信号量。信号量是一种在并发编程中常用的同步机制，用于实现资源的共享和互斥访问。本文将介绍FreeRTOS中的信号量，包括其基本概念、用法和示例。
一、Freertos的信号量是什么？
当我们在编写多任务并发程序时，经常会遇到需要多个任务共享资源的情况，比如共享一个打印机、共享一个数据缓冲区等。在这种情况下，为了保证数据的正确性和避免冲突，我们需要一种机制来控制任务对资源的访问。FreeRTOS提供了信号量来解决这个问题。
可以将信号量看作是一种特殊的计数器。它用来记录资源的可用数量。当某个任务想要使用资源时，它需要先获取（acquire）信号量。如果信号量的计数器大于0，那么该任务就可以继续执行，并且计数器会递减。这样其他任务在同一时间就无法获取相同的资源。当任务使用完资源后，它需要释放（release）信号量，这时计数器会递增，其他任务就有机会获取资源了。
实际上，信号量可以用于两种情况：互斥访问和任务同步。在互斥访问中，信号量起到了一种锁的作用，确保同一时间只有一个任务能够访问共享资源，这样可以保证数据的一致性。而在任务同步中，信号量可以用来控制多个任务的执行顺序，一个任务在等待某个事件发生时，可以等待一个信号量，当其他任务触发了这个事件并释放了信号量，等待的任务就能继续执行了。
在FreeRTOS中，我们可以使用一些函数来创建和操作信号量。通过合理地使用信号量，我们可以确保多个任务能够安全地共享资源，并且按照设计的顺序进行执行，从而提高系统的并发性能。
二、二进制信号量和计数型信号量是什么？
当我们使用FreeRTOS的信号量时，有两种常见的类型：二进制信号量和计数型信号量。
二进制信号量（Binary Semaphore）：
二进制信号量就像一把开关，只有两个状态：开和关。它的计数器只能是0或1。当一个任务获取二进制信号量时，如果它是开的（计数器为1），那么它可以继续执行；如果它是关的（计数器为0），那么获取操作会被阻塞，直到有其他任务释放了信号量让它变为开。这种信号量常用于实现互斥访问，确保同一时间只有一个任务可以访问共享资源。
计数型信号量（Counting Semaphore）：
计数型信号量的计数器不仅仅只是0和1，它可以是任意非负整数。当一个任务获取计数型信号量时，如果计数器大于0，那么计数器会减1，并且获取操作会立即返回；如果计数器为0，那么获取操作会被阻塞，直到有其他任务释放了信号量让计数器变为非零。这种信号量常用于表示资源的可用数量，比如空闲的内存块或可用的任务槽位。
区别：
二进制信号量只有两个状态（开和关），而计数型信号量的计数器可以是任意非负整数。
二进制信号量常用于互斥访问，确保同一时间只有一个任务可以访问共享资源。计数型信号量通常用于表示可用资源的数量。
二进制信号量的计数器只能通过获取和释放操作切换状态。计数型信号量的计数器可以通过获取和释放操作增加或减少。
二进制信号量只能实现互斥访问，而计数型信号量不仅可以实现互斥访问，还可以用于任务同步、事件触发等应用场景。
要根据具体的需求选择信号量的类型，以及合适的获取和释放操作，以确保任务间的资源共享和同步能够正常进行。
三、信号量初步了解
1.二进制信号量的使用
- 动态创建函数xSemaphoreCreateBinary()
函数原型如下：
/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
* 此函数内部会分配信号量结构体
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );
- 静态创建函数xSemaphoreCreateBinaryStatic()
函数原型如下:
/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
* 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t
*pxSemaphoreBuffer );
- 二进制信号量的删除函数
对于动态创建的信号量，不再需要它们时，可以删除它们以回收内存。
vSemaphoreDelete可以用来删除二进制信号量、计数型信号量，函数原型如下：
/*
* xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量
*/
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
- give/take函数
在任务中使用:
1.xSemaphoreGive
函数原型如下：
/*参数为要give的信号量，
返回值：pdTRUE表示成功,
如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败；
如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败*/
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
2.xSemaphoreTake
函数原型如下：
/*参数为要take的信号量，等待的时间
返回值：pdTRUE表示成功
*/
BaseType_t xSemaphoreTake(
SemaphoreHandle_t xSemaphore,
TickType_t xTicksToWait
);
在中断中使用:
1.xSemaphoreGiveFromISR
函数原型如下：
/*参数为要give的信号量，如果释放信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，
则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE*/
/*返回值：pdTRUE表示成功,
如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失
败；
如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返
回失败*/
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
SemaphoreHandle_t xSemaphore,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);
2.xSemaphoreTakeFromISR
函数原型如下：
/*xSemaphore 信号量句柄，获取哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken
如果获取信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，
则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值 pdTRUE表示成功
*/
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(
SemaphoreHandle_t xSemaphore,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);
2.give和take是什么？
通过上图可以看到任务1先take，然后二进制信号量变成1，当任务2需要take时，发现二进制信号量是1，则任务等待任务1give后，二进制信号量变成0后任务2才take到信号量，然后信号量又变成1，从此往复。
3.为什么需要动态和静态创建的方式？
在前面的博客我们看到了很多函数，在queue中，他有动态创建和静态创建，那freertos的编写代码的人难道没事找事吗？肯定不然，
下面就是freertos代码编写者为什么需要这样做的原因：
FreeRTOS提供了两种方式来创建任务、队列、信号量等内核对象：动态创建和静态创建。
动态创建：
动态创建是在运行时动态分配内存来创建内核对象。通过调用API函数，FreeRTOS会在堆上为内核对象动态分配内存空间。
动态创建灵活，可以根据具体的需求动态调整内核对象的数量和大小。
动态创建可以在运行时创建和删除内核对象，可以根据系统的动态需求进行动态管理。
动态创建适用于需要动态管理内存的场景，比如对象的数量和大小在运行时发生变化，或者内存资源受限的情况。
静态创建：
静态创建是在编译时静态分配内存来创建内核对象。用户需要提前为内核对象预留内存空间，并在创建时使用静态分配的内存空间。
静态创建可以避免在运行时进行内存分配和释放的开销，节省了系统的运行时间和资源消耗。
静态创建需要提前估计和分配内存空间，并在编译时固定了内核对象的数量和大小。
静态创建适用于内存资源相对稳定，内核对象数量和大小较为确定的场景，可以提高系统的可靠性和性能。
动态创建和静态创建各有其适用场景。动态创建适合需要在运行时动态管理内核对象的情况，而静态创建适合内存资源相对稳定，对象数量和大小可以在编译时确定的情况。选择合适的创建方式可以根据系统的需求、资源约束和代码设计来做出权衡。
四、二进制信号量示例代码
uint32_t count = 0;
SemaphoreHandle_t s;
void Task(void *p)
{
while(1)
{
xSemaphoreTake(s,pdMS_TO_TICKS(1000));//信号量1
printf("Count:%d\r\n",count);
xSemaphoreGive(s);//信号量变成0
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
}
vTaskDelete(NULL);
vvSemaphoreDelete(s);//在任务的外面删除，如果删除了，可能是出错了！！！
}
void Task2(void *p)
{
while(1)
{
xSemaphoreTake(s,pdMS_TO_TICKS(1000));//信号量1
count++;
xSemaphoreGive(s);//信号量变成0
vTaskDelay(1);
}
vTaskDelete(NULL);
}
void TaskTest(void)
{
s = xSemaphoreCreateBinary( );
xTaskCreate(Task,"MyTask",50,&count,1,NULL);
xTaskCreate(Task2,"MyTask2",50,&count,3,NULL);
vTaskStartScheduler();
}
注意：如果没有信号量，可以就会冲突
总结
信号量是FreeRTOS中用于实现资源的共享和互斥访问的重要机制。本文介绍了信号量的基本概念、创建和初始化、获取和释放操作以及用途。通过合理地使用信号量，可以提高系统并发性能，并确保共享资源的正确访问。在实际应用中，根据具体需求选择适当的信号量类型和操作方式，可以更好地利用FreeRTOS的功能来设计健壮的并发应用。