【FreeRTOS】07 二值信号量、计数信号量

本节开始讲freeRTOS的信号量，先从最基本的二值信号量讲起，后面会讲解计数信号量，最后是信号量与临界段保护的区别。

1）什么是信号量

信号量是操作系统中用来解决资源共享和进程同步的一种方法。

举两个例子分别说明。

资源共享：假如我们系统里有一个串口，各个任务都要通过它发送数据，这个串口可以看作共享资源；如果不加控制地让任务随意访问串口，那么很可能会产生一个任务发送了一部分的数据时，串口资源被别的任务抢占，发送了新的数据；这样就出现了共享资源出错。我们希望在一个任务访问串口时，其他需要访问串口的任务暂时等待，直到占用串口的任务用完释放了串口资源，再轮到下一个任务访问。

信号量就是用来处理这类问题的，我们可以约定，在访问串口资源前，各任务先去竞争获取信号量，获取到信号量的任务可以访问串口，而其他任务被（信号量）阻塞；等到第一个任务访问完，它会释放信号量，让被阻塞的任务再去竞争，之后也是一样，获取到信号量的任务可以获得串口的使用权。这样我们就通过信号量解决了资源共享的问题。

任务同步：信号量用于任务同步的比较简单，假如多个任务间执行有先后要求，必须任务A完成了事件a，才能执行任务B中的函数b，那么我们可以在事件a之后释放一个信号量，而在b执行之前等待这个信号量，那么就保证了任务A、B中的事件同步执行。

信号量的作用有点像一些全局的标识量，我们也可以用全局变量来实现资源共享和任务同步，只是信号量还带有阻塞任务的功能，在操作系统里使用起来更为方便。

2）二值信号量

二值信号量顾名思义，它只有两种状态，被占用了可以看作0状态，未被占用可以看作1状态。

freeRTOS提供的二值信号量，主要由以下几个函数操作：

创建二值信号量：

SemaphoreHandle_t  xSemaphoreCreateBinary(void)； //创建二值信号量

SemaphoreHandle_t  xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer )； //静态方式创建二值信号量，需用户指定信号量的地址空间

释放信号量：

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); //释放信号量

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore, signed BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken); //从中断中释放信号量，后一个参数的返回值表示是否有高优先级的任务已经就绪，如果有，则需要进行一次任务切换

获取信号量：

BaseType_t xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait ); //获取信号量，后一个参数为阻塞的超时时间

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t  xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)； //在中断中获取信号量

我们以一个例子来说明如何使用二值信号量：

Task02用于创建信号量，并每隔1s发送一次信号量

Task03等待信号量，一旦获取到，则打印提示：

这个例子的运行结果如下，由打印的时间戳可以发现，Task02一旦发送信号量，Task03就立即进行了一次打印输出，与预期运行结果相同：

如果想在中断中发送信号量，可以如下编写代码：

其中选中的两行就是发送信号量，以及处理由高优先级任务就绪的情况。

3）计数信号量

freeRTOS中提供的计数信号量，与二值信号量有些区别，它可以记录发送信号量的次数，也就是说信号量的状态可以不仅仅为0和1，而是可以为自然数，也就是它可以表示一些资源数大于1的情况。

比如，我们有一块内存空间，共有10个字节，那么可以用一个初值为10的计数信号量来管理，每使用一个空间，信号量减1；每释放一个空间，信号量加1；信号量大于0，则表示有空间可用；信号量减到0，就表示没有空间可用了。

可以说二值信号量是计数信号量的一种特例，二值信号量是计数值最大为1的计数信号量。

freeRTOS提供的计数信号量，主要由以下几个函数操作：

创建计数信号量：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount )； //创建计数信号量，两个参数为：最大计数值、初始值

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t  uxInitialCount, StaticSemaphore_t *  pxSemaphoreBuffer )；//以静态形式创建计数信号量，需用户指定信号量的地址空间

释放信号量、获取信号量的函数，与二值信号量相同，这里就不重复了。

使用计数信号量时，要将以下宏定义改为1：

#define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES 1

我们也以一个例子来说明如何使用计数信号量：

在Task02中定义计数信号量，并初始化为5，之后每隔1s发送一次信号量：

Task03中等待信号量，并延时一小段时间，以方便观察打印信息：

代码运行如下：

可以看到，在Task02创建完信号量并初始化为5后，Task03执行了5次；之后每隔1秒Task02发送一次信号量，Task03执行一次：

4）信号量与临界段的关系

在信号量保护共享资源的用法中，我们发现，信号量所保护的共享资源，和上一节讲过的临界段有些类似，目的都是为了保护某一段代码不被意外访问。

不同的是，临界区的保护更加严格一些，它一旦保护，其它中断、任务都不会被执行，只有当前任务执行完才能退出；而信号量的保护不那么严格，它只限制那些等待这个信号量的任务，而与这个信号量无关的任务或中断，是不受影响的。

好了，本节的内容就到这里了。下一节我们将继续讲解信号量，探讨一个与它有关的经典问题——优先级反转。

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