【FreeRTOS】的信号量：同步与互斥的关键

在现代嵌入式系统开发中，FreeRTOS因其轻量级、高效和易用的特性而备受欢迎。在FreeRTOS中，信号量（Semaphore）是一个非常重要的同步机制，它允许开发者管理对共享资源的访问，确保系统的稳定性和数据的完整性。本文将详细介绍FreeRTOS中的信号量，并通过代码示例演示其使用方法。

一、信号量的概念

信号量是一种计数器，用于控制多个任务对共享资源的访问。在FreeRTOS中，信号量有两种主要类型：计数信号量（Counting Semaphore）和二进制信号量（Binary Semaphore）。计数信号量允许多个任务同时访问资源，而二进制信号量只允许一个任务独占资源。

二、信号量的使用场景

1. 互斥访问：当多个任务需要访问同一资源时，可以使用信号量来确保资源在任何时刻只被一个任务使用。
2. 同步：信号量也可用于任务之间的同步，例如，一个任务可能需要等待另一个任务完成某项工作后才能继续执行。

三、FreeRTOS信号量的API

FreeRTOS提供了以下信号量相关的API函数：

• xSemaphoreCreateBinary()：创建一个二进制信号量。
• xSemaphoreCreateCounting()：创建一个计数信号量。
• xSemaphoreTake()：请求信号量。
• xSemaphoreGive()：释放信号量。
• xSemaphoreGiveFromISR()：从中断服务程序中释放信号量。

四、代码演示

下面是一个简单的代码示例，演示了如何在FreeRTOS中使用信号量来实现互斥访问：

#include "FreeRTOS.h"  
#include "task.h"  
#include "semphr.h"  
  
// 定义信号量  
SemaphoreHandle_t xMutex = NULL;  
  
// 共享资源  
int sharedResource = 0;  
  
// 任务1：修改共享资源  
void vTask1(void *pvParameters)  
{  
    for (;;)  
    {  
        // 请求信号量（互斥访问）  
        if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdPASS)  
        {  
            // 访问共享资源  
            sharedResource++;  
            vTaskDelay(100); // 假设这里有一些耗时操作  
  
            // 释放信号量  
            xSemaphoreGive(xMutex);  
        }  
    }  
}  
  
// 任务2：修改共享资源  
void vTask2(void *pvParameters)  
{  
    for (;;)  
    {  
        // 请求信号量（互斥访问）  
        if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdPASS)  
        {  
            // 访问共享资源  
            sharedResource--;  
            vTaskDelay(100); // 假设这里有一些耗时操作  
  
            // 释放信号量  
            xSemaphoreGive(xMutex);  
        }  
    }  
}  
  
int main(void)  
{  
    // 初始化信号量  
    xMutex = xSemaphoreCreateBinary();  
  
    // 创建任务1和任务2  
    xTaskCreate(vTask1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);  
    xTaskCreate(vTask2, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);  
  
    // 开始任务调度  
    vTaskStartScheduler();  
  
    // 如果任务调度器没有正常启动，则执行这里  
    for (;;)  
    {  
    }  
}

在上面的示例中，我们创建了一个二进制信号量xMutex，用于保护共享资源sharedResource。任务1和任务2都尝试获取这个信号量来访问共享资源。由于信号量只允许一个任务独占资源，因此当一个任务持有信号量时，其他任务必须等待。

五、总结

FreeRTOS中的信号量是一种非常有用的同步机制，它可以帮助开发者解决多任务环境下的资源访问冲突问题。通过合理地使用信号量，我们可以确保系统的稳定性和数据的完整性。在实际开发中，我们应该根据具体的需求选择合适的信号量类型，并合理地使用相关的API函数来管理信号量。