代码收藏家技术教程 10天前

STM32与FreeRTOS结合应用中的信号量详解

信号量：

它为一个经典的同步工具，用来处理线程同步问题，尤其是共享资源的访问控制。

FreeRTOS的两个主要信号量类型：二值信号量和计数信号量。其中二值信号量包含一特殊“互斥型信号量”

一、二值信号量

定义：

仅能储存2种状态值，用于在任务之间同步或实现简单的二进制状态的互斥访问。

作用：

1、同步：

可以像普通的信号量一样用于任务间的同步

2、简单的互斥访问：

它也可以用于简单的互斥访问共享资源（类似于互斥锁）。当一个任务获取了二值信号量，其他任务在获取该信号量时会被阻塞，直到它被释放。

特点：

1、二值信号量是数值型信号量的特殊形式：

计数范围为0或1。

2、它没有内置的优先级继承机制：

当低优先级任务正持有某二值信号量时，高优先级任务由于无法获取信号量的值而被阻塞，就是说高优先级任务无法先一步低优先级任务执行，在执行效果上优先级被反转。显然违背了实时操作系统的实时性。

使用：

1、创建：（动态）

使用 xSemaphoreCreateBinary() 或 xSemaphoreCreateBinaryStatic() 函数创建二值信号量。

定义信号量类型变量接受信号量句柄：

SemaphoreHandle_t xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary(void);//该函数无参数，初始信号量为0（不可用）。

创建成功返回信号量句柄，创建失败返回NULL。

显式激活：

二值信号量初始值为0，需要手动激活：

xSemaphoreGive(xBinarySemaphore); // 将信号量设置为 1

2、创建：（静态）

分配静态缓冲区：

StaticSemaphore_t xStaticSemaphoreBuffer;

创建静态二值信号量，将静态缓冲区作为参数传递：

定义信号量类型变量接受信号量句柄：

SemaphoreHandle_t xSemaphore =

xSemaphoreCreateBinaryStatic( &xStaticSemaphoreBuffe );

显式激活：

二值信号量初始值为0，需要手动激活：

xSemaphoreGive(xBinarySemaphore); // 将信号量设置为 1

二值信号量无优先级继承机制！！！！！

二、计数型信号量（多值信号量）

多值信号量的核心功能应该是允许多个任务共享资源，同时还能控制资源的并发访问数量。它更侧重于资源的管理和分配。任务间通信可以用信号量来同步事件，比如一个任务生成事件，另一个任务等待事件；资源管理则是用信号量来控制对共享资源的访问，比如多个任务访问多个打印机。这些例子很好懂，我可以直接用。

使用：（动态）

创建多值信号量：

SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(10, 0);

其中xSemaphoreCreateCounting的原型为：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount

, UBaseType_t uxInitialCount);

形参解释：

uxMaxCount：信号量的最大计数值 uxInitialCount：信号量的初始计数值

函数返回值及其特性：

返回值：

成功的话返回一个指向信号量的指针（句柄），该句柄用于后续对信号量的操作。

失败的话：如果由于内存不足等原因无法创建信号量，函数返回 NULL

特性：

优先级继承：

当一个高优先级任务等待一个由低优先级任务持有的资源时，FreeRTOS 会通过临时提升低优先级任务的优先级来避免优先级翻转问题。

优先级继承机制由系统自动完成无需用户显性操作。

获取信号量：

使用BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait);

参数解释：

xSemaphore：信号量句柄，该值必须使用创建信号量的函数获取

xTicksToWait：任务等待信号量的最长时间（单位为 ticks）。如果设置为portMAX_DELAY，任务将无限等待，直到信号量变为可用状态。

返回值：

pdPASS：成功获取信号量。

pdFAIL：未获取到信号量，可能是信号量不可用且等待时间已到，或参数不合法。

三、互斥型信号量（互斥锁）

互斥锁是一种特殊的二进制信号量，用于保护临界资源，确保同一时刻只有一个线程能够访问共享资源。它只有2种状态：开锁（未被占用）与关锁（被占用）。

互斥锁的闭锁状态（即被占用状态）只能被一个线程持有：

一旦某个线程获取互斥锁后，互斥锁变为闭锁状态，其他线程无法获取该锁。

工作原理：

加锁：当线程需要访问共享资源时，会尝试获取互斥锁。如果互斥锁处于开锁状态，则线程获取锁成功，互斥锁变为闭锁状态，线程可以访问资源
阻塞等待：如果互斥锁已被其他线程占用（闭锁状态），则当前线程会被阻塞，进入等待队列，直到互斥锁被释放
解锁：当持有互斥锁的线程完成对共享资源的访问后，会释放互斥锁，互斥锁变为开锁状态。此时，等待队列中的线程会被唤醒，尝试获取互斥锁。

特性：

互斥性：确保同一时刻只有一个线程能够访问共享资源，避免了多线程同时访问导致的数据不一致
优先级继承：为了避免优先级反转问题，互斥锁通常支持优先级继承机制。当一个低优先级线程持有互斥锁时，如果有高优先级线程请求该锁，低优先级线程的优先级会被临时提升，直到它释放锁。
递归访问：某些互斥锁支持递归访问，即同一个线程可以多次获取同一个互斥锁而不会导致死锁。
中断中的不可用：互斥锁不能在中断服务例程中使用，因为中断无法保持阻塞等待

使用：

创建互斥锁：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex(void);

创建成功返回互斥锁句柄，创建失败返回NULL

获取互斥锁：

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,

TickType_t xTicksToWait);

成功获取互斥锁返回pdTRUE;失败返回pdFALSE

参数解释：

xSemaphore：互斥锁句柄

xTicksToWait:获取互斥锁等待时间，该参数为：portMAX_DELAY时则会无限等待。

释放互斥锁：