FreeRTOS_信号量之计数型信号量

目录

1. 计数型信号量

1.1 计数型信号量简介

1.2 创建计数型信号量

1.2.1 函数 xSemaphoreCreateCounting()

1.2.2 函数 xSemaphoreCreateCountingStatic()

1.3 计数型信号量创建过程分析

1.4 释放和获取信号量

1.5 计数型信号量操作实验

1.5.1 实验程序设计

1.5.1.1 实验目的

1.5.1.2 实验设计

1.5.2 实验程序

1.5.2.1 main.c

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1. 计数型信号量

1.1 计数型信号量简介

        计数型信号量有时也被称为数值信号量，二值信号量相当于长度为 1 的队列，那么计数型信号量就是长度大于 1 的队列。 同二值信号量一样，用户不需要关心队列中存储了什么数据，只需要关心队列是否为空即可。

        计数型信号量常用于如下两个场合：

（1）事件计数

        在这个场合中，每次事件发生的时候就在事件处理函数中释放信号量（增加信号量的计数值），其他任务会获取信号量（信号量计数值减一，信号量就是队列结构体成员变量 uxMessagesWaiting）来处理事件。在这种场合中创建的计数型信号量初始计数值为 0。

（2）资源管理

        在这个场合中，信号量值代表当前资源的可用数量，比如停车场当前剩余的停车位数量。一个任务要想获得资源的使用权，首先必须获取信号量，信号量获取成功以后信号量值就会减一。当信号量值为 0 的时候说明没有资源了。当一个任务使用完资源以后一定要释放信号量，释放信号量以后信号量值会加一。在这个场合中创建的计数型信号量初始值应该是资源的数量，比如停车场一共有 100 个停车位，那么创建信号量的时候信号量值就应该初始化为 100。

1.2 创建计数型信号量

        FreeRTOS 提供了两个计数型信号量创建函数，如下所示：

xSemaphoreCreateCounting()                        使用动态方法创建计数型信号量。

xSemaphoreCreateCountingStatic()               使用静态方法创建计数型信号量。

1.2.1 函数 xSemaphoreCreateCounting()

        此函数用于创建一个计数型信号量，所需要的内存通过动态内存管理方法分配。此函数本质上是一个宏，真正完成信号量创建的是函数 xQueueCreateCountingSemaphore()，此函数原型如下：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t    uxMaxCount，
                                           UBaseType_t    uxInitialCount)

参数：

        uxMaxCount：         计数信号量最大计数值，当信号量值等于此值的时候释放信号量就会失败。

        uxInitialCount：       计数信号量初始值。

返回值：

        NULL：                    计数型信号量创建失败。

        其他值：                   计数值信号量创建成功，返回计数型信号量句柄。

1.2.2 函数 xSemaphoreCreateCountingStatic()

        此函数也是用来创建计数型信号量的，使用此函数创建计数型信号量的时候所需要的内存需要由用户分配。此函数也是一个宏，真正执行的是函数 xQueueCreateCountingSemaphoreStatic()，函数原型如下：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic(UBaseType_t    uxMaxCount，
                                                 UBaseType_t    uxInitialCount，
                                                 StaticSemaphore_t*    pxSemaphoreBuffer)

参数：

        uxMaxCount：        计数信号量最大计数值，当信号量值等于此值的时候释放信号量就会失败。

        uxInitialCount：       计数信号量初始值。

        pxSemaphoreBuffer：        指向一个 StaticSemaphore_t 类型的变量，用来保存信号量结构体。

返回值：

        NULL：        计数型信号量创建失败。

        其他值：       计数型信号量创建成功，返回计数型信号量句柄。

1.3 计数型信号量创建过程分析

        这里只分析动态创建计数型信号量函数 xSemaphoreCreateCounting()，此函数是个宏，定义如下：

#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) 
    #define xSemaphoreCreateCounting( uxMaxCount, uxInitialCount )                  \ 
        xQueueCreateCountingSemaphore( ( uxMaxCount ), ( uxInitialCount ) )         \ 
#endif

        通过上述可以看出，动态创建计数型信号量函数 xSemaphoreCreateCounting() 真正起作用的是函数 xQueueCreateCountingSemaphore()，此函数在文件 queue.c 中有如下定义：

QueueHandle_t xQueueCreateCountingSemaphore( const UBaseType_t uxMaxCount, 
                                             const UBaseType_t uxInitialCount ) 
{
    QueueHandle_t xHandle; 
 
    configASSERT( uxMaxCount != 0 ); 
    configASSERT( uxInitialCount <= uxMaxCount ); 
 
    xHandle = xQueueGenericCreate( uxMaxCount,                                \ (1) 
    queueSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH,                                         \ 
    queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE ); 
 
    if( xHandle != NULL ) 
    { 
        ( ( Queue_t * ) xHandle )->uxMessagesWaiting = uxInitialCount;          (2) 
        traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE(); 
    } 
    else 
    { 
        traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE_FAILED(); 
    } 

    return xHandle; 
} 

（1）、计数型信号量也是在队列的基础上实现的，所以需要调用函数 xQueueGenericCreate() 创建一个队列，队列长度为 uxMaxCount，队列项长度为 queueSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH (此宏为 0 )，队列的类型为 queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE，表示是个计数型信号量。

（2）、队列结构体的成员变量 uxMessagesWaiting 用于计数型信号量的计数，根据计数型信号量的初始值来设置 uxMessagesWaiting。

1.4 释放和获取信号量

        计数型信号量的释放和获取与二值信号量相同，如有疑问请进一步进行学习 https://blog.csdn.net/light_2025/article/details/133554890

1.5 计数型信号量操作实验

1.5.1 实验程序设计

1.5.1.1 实验目的

        计数型信号量一般用于事件计数和资源管理，计数型信号量在这个场景中的使用方法基本一样，这里来学习一下计数型信号量在事件计数中的使用方法。

1.5.1.2 实验设计

        本实验用 KEY_UP 按键来模拟事件，当 KEY_UP 按下以后就表示事件发生，当检测到 KEY_UP 按下以后就释放计数型信号量，按键的检测和信号量的释放做成一个任务。另外一个任务获取信号量，当信号量获取成功以后就刷新 LCD 上指定区域的背景颜色，并且显示计数型信号量的值。

        本实验设计三个任务：start_task、SemaphoreGive_task、SemapTake_task 这三个任务的任务功能如下：

        start_task：用来创建其他 2 个任务。

        SemaphoreGive_task：获取按键状态，当 KEY_UP 键按下去以后就释放信号量 CountSemaphore，此任务还用来控制 LED0 的亮灭来提示程序正在运行中。

        SemapTake_task：获取信号量 CountSemaphore，当获取信号量成功以后就刷新 LCD 指定区域的背景色。

        实验中创建了一个计数型信号量 CountSemaphore，此信号量用于记录 KEY_UP 按下的次数。硬件部分需要用到 KEY_UP 按键，用于模拟事件发生。

1.5.2 实验程序

1.5.2.1 main.c

#include "stm32f4xx.h"  
#include "FreeRTOS.h" //这里注意必须先引用FreeRTOS的头文件，然后再引用task.h
#include "task.h"     //存在一个先后的关系
#include "LED.h"
#include "LCD.h"
#include "Key.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "string.h"
#include "beep.h"
#include "malloc.h"
#include "timer.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"


//任务优先级
#define START_TASK_PRIO     1     //用于创建其他两个任务
//任务堆栈大小
#define START_STK_SIZE      256
//任务句柄
TaskHandle_t StartTask_Handler;
//任务函数
void start_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define SEMAPGIVE_TASK_PRIO     2   //获取按键状态，当 KEY_UP 键按下去以后就释放信号量 CountSemaphore
//任务堆栈大小
#define SEMAPGIVE_STK_SIZE      256
//任务句柄
TaskHandle_t SemapGiveTask_Handler;
//任务函数
void SemapGive_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define SEMAPTAKE_TASK_PRIO 3  //获取信号量 CountSemaphore，当获取信号量成功以后就刷新 LCD 指定区域的背景色
//任务堆栈大小	
#define SEMAPTAKE_STK_SIZE  256 
//任务句柄
TaskHandle_t SemapTakeTask_Handler;
//任务函数
void SemapTake_task(void *pvParameters);

//计数型信号量句柄
SemaphoreHandle_t CountSemaphore;    //计数型信号量句柄

//LCD刷屏时使用的颜色
int lcd_discolor[14] = { WHITE, BLACK, BLUE,  BRED,
                         GRED,  GBLUE, RED,   MAGENTA,
                         GREEN, CYAN,  YELLOW,BROWN,
                         BRRED, GRAY};

int main(void)
{
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);  //设置系统中断优先级分组4
    delay_init(168);
    uart_init(115200);
    LED_Init();
    KEY_Init();
    BEEP_Init();
    LCD_Init();
    my_mem_init(SRAMIN);    //初始化内部内存池
    
    POINT_COLOR=RED;
    LCD_ShowString(30,10,200,16,16,"ATK STM32F407");
    LCD_ShowString(30,30,200,16,16,"FreeRTOS Example");
    LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Count Semaphore");
    LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
    LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"2023/10/07");
    
    POINT_COLOR=BLACK;
    LCD_DrawRectangle(5,110,234,314);
    LCD_DrawLine(5,130,234,130);
    POINT_COLOR=RED;
    LCD_ShowString(30,111,200,16,16,"COUNT_SEM Value: 0");
    POINT_COLOR=BLUE;
    
    //创建开始任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            //任务函数
                (const char*    )"start_task",          //任务名称
                (uint16_t       )START_STK_SIZE,        //任务堆栈大小
                (void*          )NULL,                  //传递给任务函数的参数
                (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //任务优先级
                (TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //任务句柄              
    vTaskStartScheduler();          //开启任务调度
}

//开始任务任务函数
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();
    
    //创建计数型信号量
    CountSemaphore=xSemaphoreCreateCounting(255,0); //第一个参数是计数信号量最大计数值
                                                    //第二个参数是计数信号量初始值；返回计数信号量句柄
    //创建释放信号量任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )SemapGive_task,             
                (const char*    )"semapgive_task",           
                (uint16_t       )SEMAPGIVE_STK_SIZE,        
                (void*          )NULL,                  
                (UBaseType_t    )SEMAPGIVE_TASK_PRIO,        
                (TaskHandle_t*  )&SemapGiveTask_Handler);   
    //创建获取信号量任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )SemapTake_task,     
                (const char*    )"semaptake_task",   
                (uint16_t       )SEMAPTAKE_STK_SIZE,
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )SEMAPTAKE_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&SemapTakeTask_Handler);
    vTaskDelete(StartTask_Handler);  //删除开始任务
    taskEXIT_CRITICAL();
}

//释放计数型信号量任务函数
void SemapGive_task(void *pvParameters)
{
    u8 key,i=0;
    u8 semavalue;
    BaseType_t err;
    
    while(1)
    {
        key=KEY_Scan(0);  //扫描按键
        if(CountSemaphore!=NULL)  //CountSemaphore 是动态创建计数信号量函数，返回值表示创建成功的计数信号量句柄
            //如果句柄不为空，则表示创建计数型信号量成功
        {
            switch(key) //key 取值为 1 2 3 4 0,0表示无按键按下
            {
                case WKUP_PRES: //key 等于4
                    err=xSemaphoreGive(CountSemaphore); //释放计数型信号量，表示KEY_UP按键按下，释放信号量
                    if(err==pdFALSE)
                    {
                        printf("信号量释放失败!!!\r\n");
                    }
                    semavalue=uxSemaphoreGetCount(CountSemaphore); //获取计数型信号量值
                    LCD_ShowxNum(155,111,semavalue,3,16,0);  //显示信号量值
                    break;
            }
                
        }
        i++;
        if(i==50)
        {
            i=0;
            LED0=!LED0;
        }
        vTaskDelay(10);   //延时10ms，也就是10个时钟节拍
    }
}

//获取计数型信号量任务函数
void SemapTake_task(void *pvParameters)
{
    u8 num;
    u8 semavalue;
    while(1)
    {
        xSemaphoreTake(CountSemaphore,portMAX_DELAY);  //等待数值信号量
        num++;
        semavalue=uxSemaphoreGetCount(CountSemaphore);  //获取数值信号量值
        LCD_ShowxNum(155,111,semavalue,3,16,0);         //显示信号量值
        LCD_Fill(6,131,233,313,lcd_discolor[num%14]);   //刷屏  
        LED1=!LED1;
        vTaskDelay(1000);                               //延时1s，也就是1000个时钟节拍
    }
}