【复习笔记】reeRTOS(七) 二值信号量和计数信号量

news2025/1/16 16:13:41

本文是FreeRTOS复习笔记的第七节，信号量。

上一篇文章： 【复习笔记】FreeRTOS(六) 队列操作

文章目录

  • 一、信号量分类
  • 二、二值信号量
    • 2.1.实验设计
    • 2.2.测试例程
    • 2.3.实验效果
  • 三、计数信号量
    • 3.1.实验设计
    • 3.2.测试例程
    • 3.3.实验效果

一、信号量分类

信号量是一种实现任务间通信的机制，可以实现任务之间同步或临界资源的互斥访问，其实信号量主要的功能就是实现任务之间的同步与互斥，实现的方式主要就是依靠队列(信号量是特殊的队列)的任务阻塞机制。

队列也可以实现同步与互斥那为什么还要信号量？
因为信号量相比队列更节省空间，因为实现同步与互斥不需要传递数据，所以信号量没有队列后面的环形存储区，信号量主要就是依靠计数值uxMessagesWaiting（在队列中表示队列现有消息个数，在信号量中表示有效信号量个数）。

信号量的本质的都是特殊的队列，信号量只有队列头部，并没有后面的环形存储区，也就是说信号量只负责消息传递，并不传递数据。
信号量分为二值信号量、计数信号量、互斥信号量和递归互斥信号量。
在这里插入图片描述
本篇文章主要复习一下二值信号量和计数信号量。

二、二值信号量

二值信号量的本质是一个队列长度为 1 的队列 ，该队列就只有空和满两种情况。二值信号量通常用于互斥访问或任务同步， 与互斥信号量比较类似，但是二值信号量有可能会导致优先级翻转的问题 ，所以二值信号量更适合用于同步。
在这里插入图片描述
二值信号量相关API函数：

函数作用
xSemaphoreCreateBinary()使用动态方式创建二值信号量
xSemaphoreCreateBinaryStatic()使用静态方式创建二值信号量
xSemaphoreGive()释放信号量
xSemaphoreGiveFromISR()在中断中释放信号量
xSemaphoreTake()获取信号量
xSemaphoreTakeFromISR()在中断中获取信号量

2.1.实验设计

实验目的：学会对FreeRTOS 二值信号量的使用
实验设计：将设计两个任务：
task1：用于按键扫描，当检测到按键KEY0被按下时，释放二值信号量
task2：获取二值信号量，当成功获取后打印提示信息

2.2.测试例程

主函数 main.c代码如下：


#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"

QueueHandle_t semphore_handle;

void task1_task(void *p); //任务函数
void task2_task(void *p); //任务函数


int main(void)
{ 
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);//设置系统中断优先级分组4
	delay_init(168);		//初始化延时函数
	uart_init(115200);     	//初始化串口
	LED_Init();		        //初始化LED端口
	KEY_Init();				//初始化按键
	
	/*动态创建二值信号量*/
    semphore_handle = xSemaphoreCreateBinary();
	if(semphore_handle==NULL)
	{

		printf("信号量创建失败！\r\n");
	}
	
    xTaskCreate(task1_task,"task1_task",128,NULL,2,NULL); //任务1        
    xTaskCreate(task2_task,"task2_task",128,NULL,2,NULL);  //任务2 	
	
    vTaskStartScheduler();          //开启任务调度
}
 

/* 任务一，释放二值信号量 */
void task1_task(void *p)
{
    uint8_t key = 0;
    BaseType_t err;
    while(1) 
    {
        key = KEY_Scan(0);
        if(key == WKUP_PRES)
        {
            if(semphore_handle != NULL)
            {
                err = xSemaphoreGive(semphore_handle);
                if(err == pdPASS)
                {
					taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
                    printf("Semaphore release success!\r\n");
					taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
                }
				else 
				{
					taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
					printf("Semaphore release failure!\r\n");
					taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
				}
            }            
        }
        vTaskDelay(10);
    }
}   


/* 任务二，获取二值信号量 */
void task2_task(void *p)
{

    uint32_t i = 0;
    BaseType_t err;
    while(1)
    {
        err = xSemaphoreTake(semphore_handle,portMAX_DELAY); /* 获取信号量并死等 */
        if(err == pdTRUE)
        {
			taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
            printf("Obtaining semaphore success!\r\n");
			taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
        }
		else 
		{
			taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
			printf("Time out:%d\r\n",++i);
			taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
		}
        
    }
}

程序上需要注意的是，每次使用printf()函数都添加了临界区保护，因为printf()比较耗时，如果不加临界区保护，打印长字符串的时候，打印到一半就被切换到另一个任务，这样很容易打印乱码。

2.3.实验效果

实验效果如下：
打开串口工具，每次按下按键，串口就会打印 Semaphore release success!代表成功释放了二值信号量，随后立即打印Obtaining semaphore success!代表成功捕获了二值信号量。
在这里插入图片描述

三、计数信号量

计数信号量也比较简单，计数型信号量相当于队列长度大于1 的队列，因此计数型信号量能够容纳多个资源，这在计数型信号量被创建的时候确定的。
计数型信号量适用场合：

  • 事件计数：当每次事件发生后，在事件处理函数中释放计数型信号量（计数值+1），其他任务会获取计数型信号量（计数值-1） ，这种场合一般在创建时将初始计数值设置为 0 。
  • 资源管理：信号量表示有效的资源数目。任务必须先获取信号量（信号量计数值-1 ）才能获取资源控制权。当计数值减为零时表示没有的资源。当任务使用完资源后，必须释放信号量（信号量计数值+1）。信号量创建时计数值应等于最大资源数目。

通俗地说就是，信号量释放：cnt++，信号量被获取：cnt - -。

二值信号量相关API函数：

函数作用
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
uxSemaphoreGetCount()获取信号量的计数值

计数型信号量的释放函数和获取函数与二值信号量相同 。

3.1.实验设计

实验目的：学会对FreeRTOS 计数信号量的使用
实验设计：将设计两个任务：
task1：用于按键扫描，当检测到按键KEY0被按下时，释放计数型信号量。
task2：每过一秒获取一次计数型信号量，当成功获取后打印信号量计数值。

3.2.测试例程

主函数 main.c代码如下：


#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"

QueueHandle_t count_semphore_handle;

void task1_task(void *p); //任务函数
void task2_task(void *p); //任务函数


int main(void)
{ 
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);//设置系统中断优先级分组4
	delay_init(168);		//初始化延时函数
	uart_init(115200);     	//初始化串口
	LED_Init();		        //初始化LED端口
	KEY_Init();				//初始化按键
	
     /* 创建计数型信号量 */
    count_semphore_handle = xSemaphoreCreateCounting(100 , 0); //最大计数值设为100，初始值为0
	if(count_semphore_handle==NULL)
	{

		printf("信号量创建失败！\r\n");
	}
	
    xTaskCreate(task1_task,"task1_task",128,NULL,2,NULL); //任务1        
    xTaskCreate(task2_task,"task2_task",128,NULL,2,NULL);  //任务2 	
	
    vTaskStartScheduler();          //开启任务调度
}
 

/* 任务一，释放计数型信号量 */
void task1_task(void *p)
{

    uint8_t key = 0;
    while(1) 
    {
        key = KEY_Scan(0);
        if(key == WKUP_PRES)
        {
            if(count_semphore_handle != NULL)
            {
                xSemaphoreGive(count_semphore_handle);    /* 释放信号量 */
            }            
        }
        vTaskDelay(10);
    }
}   

/* 任务二，获取计数型信号量 */
void task2_task(void *p)
{
    BaseType_t err;
    while(1)
    {
        err = xSemaphoreTake(count_semphore_handle,portMAX_DELAY); /* 获取信号量并死等 */
        if(err == pdTRUE)
        {
			taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
            printf("信号量的计数值为：%d\r\n",(int)uxSemaphoreGetCount(count_semphore_handle));
			taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
        }
        vTaskDelay(1000);
        
    }
}

3.3.实验效果

实验效果如下：
烧录程序，打开串口工具，复位。由于初始值设为0，按键没有按下的时候，串口不会打印任何东西。在1000ms内快速按下按键，就可以看到打印出信号量的计数值。按下按键的频率越快，信号量的计数值越大；没有按键按下的时候，信号量的计数值会自动减少直到0。

在这里插入图片描述
如果超过1000ms才按下，信号量的计数值就也会变成0.
在这里插入图片描述

本节主要是学习和掌握二值信号量、计数信号量的基本使用。
完整程序放在gitee上：程序下载。

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