FreeRTOS信號量使用教程

11.1 信號量說明

信號量是操作系統(tǒng)中重要的一部分，信號量一般用來進行資源管理和任務(wù)同步， FreeRTOS中信號量又分為二值信號量、 計數(shù)型信號量、互斥信號量和遞歸互斥信號量。信號量在實際應(yīng)用中最廣泛的兩個用途是：

• 臨界資源的鎖機制：用于控制共享資源訪問的場景相當于一個上鎖機制， 代碼只有獲得了這個鎖的鑰匙才能夠執(zhí)行。
• 多個任務(wù)同步機制：用于任務(wù)與任務(wù)或中斷與任務(wù)之間的同步。

在編寫中斷服務(wù)函數(shù)的時候我們都知道一定要快進快出，中斷服務(wù)函數(shù)里面不能放太多的代碼，否則的話會影響的中斷的實時性。 裸機編寫中斷服務(wù)函數(shù)的時候一般都只是在中斷服務(wù)函數(shù)中打個標記，然后在其他的地方根據(jù)標記來做具體的處理過程。在使用 RTOS 系統(tǒng)的時候我們就可以借助信號量完成此功能， 當中斷發(fā)生的時候就釋放信號量，中斷服務(wù)函數(shù)不做具體的處理。具體的處理過程做成一個任務(wù)，這個任務(wù)會獲取信號量，如果獲取到信號量就說明中斷發(fā)生了，那么就開始完成相應(yīng)的處理，這樣做的好處就是中斷執(zhí)行時間非常短。 這個例子就是中斷與任務(wù)之間使用信號量來完成同步，當然了， 任務(wù)與任務(wù)之間也可以使用信號量來完成同步。

在實際4G/WiFi等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，一般最簡單的方法就是使用一個任務(wù)去查詢 4G/WiFi 模塊是否有數(shù)據(jù)到來，當有數(shù)據(jù)的時候就處理這個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。但這樣使用輪詢的方式是很浪費CPU 資源的，而且也阻止了其他任務(wù)的運行。一種理想的解決方法應(yīng)該是當沒有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時候網(wǎng)絡(luò)任務(wù)就進入阻塞態(tài)，把 CPU 讓給其他的任務(wù)，當有數(shù)據(jù)的時候網(wǎng)絡(luò)任務(wù)才去執(zhí)行。現(xiàn)在使用二值信號量就可以實現(xiàn)這樣的功能，任務(wù)通過獲取信號量來判斷是否有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，沒有的話就進入阻塞態(tài)，而網(wǎng)絡(luò)中斷服務(wù)函數(shù)通過釋放信號量來通知任務(wù)以太網(wǎng)外設(shè)接收到了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)可以去提取處理了。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)只是在一直的獲取二值信號量，它不會釋放信號量，而中斷服務(wù)函數(shù)是一直在釋放信號量，它不會獲取信號量。

接下來，我們以二值信號量為例，講解信號量實現(xiàn)任務(wù)同步的大致流程。其實，二值信號量其實就是一個只有一個隊列項的隊列，這個特殊的隊列要么是滿的，要么是空的。二值信號量通常用于互斥訪問或任務(wù)同步，它與互斥信號量非常類似，但是還是有一些細微的差別，互斥信號量擁有優(yōu)先級繼承機制，二值信號量沒有優(yōu)先級繼承。因此二值信號另更適合用于同步(任務(wù)與任務(wù)或任務(wù)與中斷的同步)，而互斥信號量適合用于簡單的互斥訪問。

1. 任務(wù)獲取信號量有效
   如下圖所示，任務(wù)Task通過調(diào)用 xSemaphoreTake() 函數(shù)獲取信號量，但此時二值信號量無效，所以任務(wù)Task進入到阻塞態(tài)。
   
2. 中斷釋放信號量
   當有數(shù)據(jù)到來產(chǎn)生中斷后，在中斷服務(wù)處理程序中通過調(diào)用 xSemaphoreGiveFromISR() 函數(shù)釋放信號量，此后二值信號量有效。
   
3. 任務(wù)獲取信號量有效
   由于此時信號量已經(jīng)有效了，所以任務(wù) Task 獲取信號量成功，任務(wù)從阻塞態(tài)解除，開始執(zhí)行相關(guān)的處理過程。
   
4. 任務(wù)再次進入阻塞
   由于任務(wù)一般是一個大的死循環(huán)，所以在任務(wù)做完相關(guān)處理以后就會再次調(diào)用 xSemaphoreTake() 函數(shù)獲取信號量，但此時信號量已經(jīng)失效，因此任務(wù)將進入到狀態(tài)1下阻塞等待信號量有效。

11.2 信號量API說明

11.2.1 獲取信號量

不管是二值信號量、計數(shù)型信號量還是互斥信號量，它們都使用以下兩個函數(shù)獲取信號量。

/*
 參數(shù)：
     xSemaphore： 要獲取的信號量句柄。
??  xBlockTime: 阻塞時間。??       
返回值：
     pdTRUE: 獲取信號量成功。
     pdFALSE: 超時，獲取信號量失敗。
 */
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xBlockTime)


/*
說明： 此函數(shù)用于在中斷服務(wù)函數(shù)中獲取信號量， 此函數(shù)用于獲取二值信號量和計數(shù)型信號量，絕對不能使用此函數(shù)來獲取互斥信號量。
參數(shù)： xSemaphore： 要獲取的信號量句柄。
      pxHigherPriorityTaskWoken： 標記退出此函數(shù)以后是否進行任務(wù)切換，這個變量的值由這三個函數(shù)來設(shè)置的，用戶不用進行設(shè)置，
              用戶只需要提供一個變量來保存這個值就行了。當此值為 pdTRUE 的時候在退出中斷服務(wù)函數(shù)之前一定要進行一次任務(wù)切換。
回值： pdPASS: 獲取信號量成功。
      pdFALSE: 獲取信號量失敗。   
 */      
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken)

11.2.2 釋放信號量

釋放信號量分為任務(wù)級和中斷級。不管是二值信號量、計數(shù)型信號量還是互斥信號量，它們都使用以下兩個函數(shù)釋放信號量。

/*    
  參數(shù)：xSemaphore： 要釋放的信號量句柄。
返回值：
       pdPASS: 釋放信號量成功; 
       errQUEUE_FULL: 釋放信號量失敗。
 */  
BaseType_t xSemaphoreGive( xSemaphore )


/*    
說明： 此函數(shù)用于在中斷中釋放信號量， 此函數(shù)只能用來釋放二值信號量和計數(shù)型信號量，絕對不能用來在中斷服務(wù)函數(shù)中釋放互斥信號量。
參數(shù)： xSemaphore： 要釋放的信號量句柄。
      pxHigherPriorityTaskWoken： 標記退出此函數(shù)以后是否進行任務(wù)切換，這個變量的值由這三個函數(shù)來設(shè)置的，用戶不用進行設(shè)置，
               用戶只需要提供一個變量來保存這個值就行了。當此值為 pdTRUE 的時候在退出中斷服務(wù)函數(shù)之前一定要進行一次任務(wù)切換。
返回值：
      pdPASS: 釋放信號量成功。
      errQUEUE_FULL: 釋放信號量失敗。
*/      
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken)

11.2.3 創(chuàng)建二值信號量

在FreeRTOS中，有兩個函數(shù)可以創(chuàng)建二值信號量：

/*
說明：  使用此函數(shù)創(chuàng)建二值信號量的話信號量所需要的 RAM 是由 FreeRTOS 的內(nèi)存管理部分來動態(tài)分配的。
返回值：
      NULL: 二值信號量創(chuàng)建失敗。
      其他值: 創(chuàng)建成功的二值信號量的句柄。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void )


/*
說明：  此函數(shù)也是創(chuàng)建二值信號量的，只不過使用此函數(shù)創(chuàng)建二值信號量的話信號量所需要的RAM需要由用戶來分配
參數(shù)：  pxSemaphoreBuffer： 此參數(shù)指向一個 StaticSemaphore_t 類型的變量，用來保存信號量結(jié)構(gòu)體。
返回值：
      NULL: 二值信號量創(chuàng)建失敗。
      其他值: 創(chuàng)建成功的二值信號量句柄。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer )

11.2.4 創(chuàng)建互斥信號量

在FreeRTOS中，有兩個函數(shù)可以創(chuàng)建互斥信號量：

/*
說明：此函數(shù)用于創(chuàng)建一個互斥信號量，所需要的內(nèi)存通過動態(tài)內(nèi)存管理方法分配。
參數(shù)：無
返回值：
     NULL: 互斥信號量創(chuàng)建失敗。
     其他值: 創(chuàng)建成功的互斥信號量的句柄。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void )


/*
說明： 此函數(shù)也是創(chuàng)建互斥信號量的，只不過使用此函數(shù)創(chuàng)建互斥信號量的話信號量所需要的RAM 需要由用戶來分配
參數(shù)： pxMutexBuffer： 此參數(shù)指向一個 StaticSemaphore_t 類型的變量，用來保存信號量結(jié)構(gòu)體。
返回值：
      NULL: 互斥信號量創(chuàng)建失敗。
      其他值: 創(chuàng)建成功的互斥信號量的句柄。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer )

11.2.5 創(chuàng)建計數(shù)信號量

在FreeRTOS中，有兩個函數(shù)可以創(chuàng)建計數(shù)信號量：

/*
說明： 此函數(shù)用于創(chuàng)建一個計數(shù)型信號量，所需要的內(nèi)存通過動態(tài)內(nèi)存管理方法分配。
參數(shù)：  
      uxMaxCount： 計數(shù)信號量最大計數(shù)值，當信號量值等于此值的時候釋放信號量就會失敗。
      uxInitialCount： 計數(shù)信號量初始值。
返回值：
      NULL: 計數(shù)型信號量創(chuàng)建失敗。
      其他值: 計數(shù)型信號量創(chuàng)建成功，返回計數(shù)型信號量句柄。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount,UBaseType_t uxInitialCount )


/*
說明： 此函數(shù)也是用來創(chuàng)建計數(shù)型信號量的，使用此函數(shù)創(chuàng)建計數(shù)型信號量的時候所需要的內(nèi)存需要由用戶分配。
參數(shù)： 
      uxMaxCount： 計數(shù)信號量最大計數(shù)值，當信號量值等于此值的時候釋放信號量就會失敗。
      uxInitialCount： 計數(shù)信號量初始值。
      pxSemaphoreBuffer： 指向一個 StaticSemaphore_t 類型的變量，用來保存信號量結(jié)構(gòu)體。
返回值：
      NULL: 計數(shù)型信號量創(chuàng)建失敗。
      其他值: 計數(shù)型號量創(chuàng)建成功，返回計數(shù)型信號量句柄。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount,UBaseType_t uxInitialCount,StaticSemaphore_t * pxSemaphoreBuffer )

11.2.6 遞歸互斥信號量

遞歸互斥信號量可以看是一種特殊的互斥信號量，已經(jīng)獲取了信號量的任務(wù)就不能再次獲取這個互斥量，但是遞歸互斥信號量不同，已經(jīng)獲取了遞歸互斥信號量的任務(wù)可以再次獲取這個遞歸互斥信號量，次數(shù)不限。也就是在同一個任務(wù)中可以無限次獲取遞歸互斥信號量，中途不需要釋放，而互斥信號量獲取一次后就失效，需要再次釋放才有效。注意：任務(wù)獲取多少次遞歸互斥信號量，就要釋放多少次遞歸信號量。

/*
說明：  動態(tài)創(chuàng)建遞歸互斥信號量
參數(shù)：  無
返回值：創(chuàng)建失敗NULL，創(chuàng)建成功返回信號量句柄。
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex( void )
#define xSemaphoreCreateRecursiveMutex()            xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX )


/*
說明：  靜態(tài)創(chuàng)建遞歸互斥信號量
參數(shù)：  pxMutexBuffer：指向StaticSemaphore_t類型的變量，用來保存信號量結(jié)構(gòu)體。
返回值： 創(chuàng)建失敗NULL，創(chuàng)建成功返回信號量句柄。
*/    
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer )
#define xSemaphoreCreateRecursiveMutexStatic( pxStaticSemaphore )          xQueueCreateMutexStatic( queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX, pxStaticSemaphore )


/*
說明：  釋放遞歸互斥信號量
參數(shù)：  xMutex：  信號量句柄
返回值：
       pdPASS：  釋放信號量成功
       pdFAIL：  釋放信號量失敗
*/
xSemaphoreGiveRecursive( SemaphoreHandle_t xMutex )
#define xSemaphoreGiveRecursive( xMutex )    xQueueGiveMutexRecursive( ( xMutex ) )


/*
說明：獲取遞歸互斥信號量
參數(shù)：
     xMutex：    信號量句柄
     xBlockTime：阻塞時間
返回值：
     pdPASS：    獲取信號量成功
     pdFAIL：    獲取信號量失敗
*/
xSemaphoreTakeRecursive( SemaphoreHandle_t xMutex, TickType_t xBlockTime );
#define xSemaphoreTakeRecursive( xMutex, xBlockTime )    
        xQueueTakeMutexRecursive( ( xMutex ), ( xBlockTime ) )

11.3 信號量多任務(wù)同步實例

在這里我們將創(chuàng)建兩個Led線程，其中藍色Led線程每隔200ms閃爍一次，而紅色Led線程則每隔1200ms閃爍一次。然后我們使用二值信號量的機制，讓兩個Led線程同步交替閃爍一次。

11.3.1 創(chuàng)建兩個線程任務(wù)

如下圖所示，單擊窗格頂部的 “New Thread” 按鈕，添加兩個線程分別命名為 thread_led1 和 thread_led2 ，其它的保持默認配置即可，并重新生成代碼。

如下圖所示，單擊窗口的 “New Object” 按鈕，選擇 “Binary Semaphore” 添加一個二值信號量，然后修改該信號量的名稱為 g_led_semaphore ，并重新生成代碼。

11.3.2 修改信號量實例代碼

修改 thread_led1_entry.c 源碼如下：

#include "thread_led1.h"

/* Led Thread entry function */
/* pvParameters contains TaskHandle_t */
void thread_led1_entry(void *pvParameters)
{
    FSP_PARAMETER_NOT_USED (pvParameters);

    R_BSP_PinAccessEnable(); /* Enable access to the PFS registers. */

    /* TODO: add your own code here */
    while (1)
    {
        xSemaphoreTake( g_led_semaphore, portMAX_DELAY );

        R_BSP_PinWrite(LedRed, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
        vTaskDelay (600);
        R_BSP_PinWrite(LedRed, BSP_IO_LEVEL_LOW);
        vTaskDelay (600);
    }
}

• 如果不加信號量操作部分代碼，紅色Led將每隔1200ms閃爍一次；
• 這里調(diào)用了xSemaphoreTake() 函數(shù)來獲取信號量 g_led_semaphore，如果 thread_led2 線程沒有運行并釋放信號量的話，它將會阻塞；
• xSemaphoreTake() 函數(shù)在獲取到信號之后，將會讓紅色Led閃爍一次；
• 之后該線程將會再次調(diào)用了xSemaphoreTake() 函數(shù)，等待 thread_led2 線程釋放信號；

修改 thread_led2_entry.c 源碼如下：

#include "thread_led2.h"

/* Led Thread entry function */
/* pvParameters contains TaskHandle_t */
void thread_led2_entry(void *pvParameters)
{
    FSP_PARAMETER_NOT_USED (pvParameters);

    R_BSP_PinAccessEnable(); /* Enable access to the PFS registers. */

    /* TODO: add your own code here */
    while (1)
    {
        if( pdTRUE == xSemaphoreGive( g_led_semaphore) )
        {
            R_BSP_PinWrite(LedBlue, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
            vTaskDelay (100);
            R_BSP_PinWrite(LedBlue, BSP_IO_LEVEL_LOW);
            vTaskDelay (100);
        }
    }
}

• 如果不加信號量操作部分代碼，藍色Led將每隔200ms閃爍一次；
• 這里調(diào)用了xSemaphoreGive() 函數(shù)釋放信號量 g_led_semaphore，用來同步通知 thread_led1 線程運行；
• xSemaphoreGive() 函數(shù)在釋放信號之后，如果 thread_led1 沒有來得及獲取信號量的話，則會返回pdFALSE;
• 這樣，如果 thread_led1 沒有運行的話，藍色Led也不會閃爍了，從而實現(xiàn)了兩個線程中的Led同步交替閃爍一次效果了；