本篇文章深度讲述FreeRTOS信号量——二值信号量的知识，希望我的分享对你有所帮助！

 关于FreeRTOS信号量的相关介入，大家可以参考一下这篇文章：

一文带你初探FreeRTOS信号量_freertos 二进制信号量-CSDN博客

目录

一、二值信号量简介

 二、二值信号量应用实例

实际应用场景：任务间的事件通知

三、创建二值量 

1、动态创建二值量

 2、静态创建二值量

四、释放信号量 

1、 xSemaphoreGive()

2、xSemaphoreGiveFromISR()

五、获取信号量

1、xSemaphoreTake()

使用说明

2、xSemaphoreTakeFromISR() 

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一、二值信号量简介

二值信号量（Binary Semaphore）在FreeRTOS中是一种同步机制，用于在任务之间进行信号传递和资源管理。

它只有两个状态：获得（set）和未获得（clear）。当任务需要等待某个事件发生时，它可以阻塞，直到信号量被释放。当信号量被释放时，等待的任务可以继续执行。二值信号量常用于互斥访问共享资源或者在任务间同步。

二值信号量和互斥信号量的主要区别在于它们的用途和行为：

1. 二值信号量：

   • 用于任务间的同步，通知某个事件的发生。
   • 只能有两个状态：已给信号或未给信号。
   • 通常用于任务之间的简单同步，比如生产者-消费者模型中的通知机制。

2. 互斥信号量（Mutex）：

   • 用于保护共享资源，确保在同一时刻只有一个任务能访问资源。
   • 支持任务间的互斥访问，防止同时访问导致的数据冲突。
   • 具有优先级继承机制，可以避免优先级反转问题，确保高优先级任务能够顺利获取资源。

总结：二值信号量主要用于同步，而互斥信号量用于保护共享资源。 

查阅了网上的一些说法，相对更容易帮助我们理解：

和队列一样，信号量API函数允许设置一个阻塞时间，阻塞时间是当任务获取信号量的时候由于信号量无效从而导致任务进入阻塞态的最大时钟节拍数。如果多个任务同时阻塞在同一一个信号量上的话那么优先级最高的哪个任务优先获得信号量，这样当信号量有效的时候高优先级的任务就会解除阻塞状态。

二值信号量其实就是一个只有一个队列项的队列，这个特殊的队列要么是满的，要么是空的，这不正好就是二值的吗?任务和中断使用这个特殊队列不用在乎队列中存的是什么消息，
只需要知道这个队列是满的还是空的。可以利用这个机制来完成任务与中断之间的同步。

在实际应用中，常常需要使用一个任务来处理MCU的某个外设。例如，在网络应用中，通常会创建一个任务来轮询MCU的以太网外设（如STM32的以太网MAC），以检查是否有网络数据。如果有数据，任务就会进行处理。然而，这种轮询方式会浪费CPU资源，并且会阻碍其他任务的运行。

理想的做法是让网络任务在没有网络数据时进入阻塞状态，从而将CPU资源留给其他任务，只有当网络数据到达时，网络任务才会被唤醒。使用二值信号量可以实现这一目标。任务通过获取信号量来判断是否有网络数据，如果没有数据，它就会进入阻塞状态；而网络中断服务函数（如STM32的MAC专用DMA中断）则会释放信号量，通知任务有数据到达。任务会在获取信号量时被唤醒，而中断服务函数则负责释放信号量，不会获取信号量。可以使用函数xSemaphoreGiveFromISR()来在中断服务函数中释放信号量，或者使用任务通知功能，这种方法通常更快，代码量也更少，关于任务通知的内容将在后续的文章中详细介绍。

在使用二值信号量完成中断与任务的同步时，任务优先级确保了外设能够及时处理，这种方式实际上是延迟了中断处理过程。另一种方法是使用队列来替代二值信号量。在这种方式下，外设事件的中断服务函数会获取相关数据，并通过队列将数据传送给任务。如果队列为空，任务将进入阻塞状态，直到队列中有数据为止。一旦任务接收到数据，就会开始处理。

 二、二值信号量应用实例

实际应用场景：任务间的事件通知

假设你有一个嵌入式系统，其中一个任务负责采集传感器数据（称为数据采集任务），而另一个任务负责处理这些数据（称为数据处理任务）。为了确保数据处理任务在数据采集任务完成数据采集后才开始处理数据，可以使用二值信号量来实现任务间的通知机制。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"

// 声明二值信号量
SemaphoreHandle_t xDataAvailableSemaphore;

// 数据采集任务
void vDataCollectionTask(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        // 模拟数据采集
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 采集数据，每秒一次
        
        // 数据采集完成，释放信号量通知数据处理任务
        xSemaphoreGive(xDataAvailableSemaphore);
    }
}

// 数据处理任务
void vDataProcessingTask(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        // 等待数据采集任务完成数据采集的通知
        if (xSemaphoreTake(xDataAvailableSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
        {
            // 模拟数据处理
            // 这里可以处理数据，如从数据采集任务获取数据并处理
        }
    }
}

int main(void)
{
    // 创建二值信号量
    xDataAvailableSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

    if (xDataAvailableSemaphore == NULL)
    {
        // 处理信号量创建失败的情况
        for (;;);
    }

    // 创建任务
    xTaskCreate(vDataCollectionTask, "DataCollection", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(vDataProcessingTask, "DataProcessing", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    // 如果调度器启动失败，程序将进入死循环
    for (;;);
}

 

三、创建二值量 

1、动态创建二值量

xSemaphoreCreateBinary()

功能

• 创建一个二值信号量并返回其句柄。

函数原型

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);

返回值

• 成功：返回一个有效的 SemaphoreHandle_t，表示新创建的信号量。
• 失败：如果信号量创建失败（通常是因为系统内存不足），则返回 NULL。

使用步骤

1. 创建信号量

   • 调用 xSemaphoreCreateBinary() 来创建一个二值信号量。此函数不接受任何参数。

2. 检查返回值

   • 确保函数返回值不为 NULL，以确认信号量创建成功。

3. 使用信号量

   • 释放信号量：使用 xSemaphoreGive() 来释放信号量，通常是在某个任务完成其工作后，通知其他任务或线程。
   • 获取信号量：使用 xSemaphoreTake() 来获取信号量，通常是在任务需要等待某个事件发生时。

4. 删除信号量

   • 当信号量不再需要时，可以使用 vSemaphoreDelete() 来删除信号量，释放相关资源。

示例代码 ：

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

// 创建二值信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

// 检查信号量创建是否成功
if (xSemaphore == NULL)
{
    // 处理信号量创建失败的情况
    // 可能需要采取某种错误处理措施
}

• 初始化状态：创建的二值信号量在创建时是未持有（"空"）的，通常会通过 xSemaphoreGive() 释放信号量，使其可被其他任务获取。
• 资源管理：创建信号量会占用系统资源，确保在不再需要时删除信号量以释放资源。
• 线程安全：FreeRTOS 的信号量机制是线程安全的，适用于多任务环境中的同步需求。

通过正确使用 xSemaphoreCreateBinary() 和相关的信号量操作函数，可以有效地实现任务间的同步与资源管理。

 2、静态创建二值量

在FreeRTOS中，除了动态创建信号量（使用 xSemaphoreCreateBinary()），还可以使用静态创建信号量的API。这种方法适用于在编译时预分配信号量内存，适合于内存受限的环境中使用。

静态创建二值信号量的API函数：

xSemaphoreCreateBinaryStatic() 

功能

• 静态创建一个二值信号量，并使用提供的内存来存储信号量的数据。

函数原型

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

参数

• pxSemaphoreBuffer: 指向一个 StaticSemaphore_t 结构体的指针，该结构体用于保存信号量的内部状态。这个结构体需要在函数调用之前进行定义和初始化。

返回值

• 成功：返回一个有效的 SemaphoreHandle_t，表示新创建的信号量。
• 失败：如果无法创建信号量（例如，传入的 pxSemaphoreBuffer 无效），则返回 NULL。

结构体 StaticSemaphore_t

• StaticSemaphore_t 结构体用于存储信号量的状态信息，它在信号量创建时提供必要的内存支持。

示例代码

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

// 定义静态信号量结构体
StaticSemaphore_t xStaticSemaphore;
SemaphoreHandle_t xSemaphore;

// 静态创建二值信号量
xSemaphore = xSemaphoreCreateBinaryStatic(&xStaticSemaphore);

// 检查信号量创建是否成功
if (xSemaphore == NULL)
{
    // 处理信号量创建失败的情况
    // 可能需要采取某种错误处理措施
}

使用说明

1. 定义静态结构体：在创建信号量之前，需要定义一个 StaticSemaphore_t 结构体变量。这个变量将用于存储信号量的内部状态。
2. 调用 xSemaphoreCreateBinaryStatic()：传入 StaticSemaphore_t 结构体的地址来创建静态信号量。
3. 检查返回值：确保 xSemaphoreCreateBinaryStatic() 返回的句柄不为 NULL，以确认信号量成功创建。
4. 使用信号量：信号量创建后，可以使用 xSemaphoreGive() 和 xSemaphoreTake() 来进行信号量的操作。
5. 不需要显式删除：静态创建的信号量不需要显式删除，因为它的内存是静态分配的。

优点

• 内存管理：静态分配信号量内存，避免了在运行时动态分配内存带来的开销和复杂性。
• 性能：在内存受限的系统中，可以通过静态创建信号量来减少动态内存分配的需求，从而提高系统的稳定性和性能。

注意事项

• 内存分配：确保 StaticSemaphore_t 结构体在信号量的生命周期内保持有效。信号量的状态信息存储在这个结构体中，因此它不能在信号量使用期间被覆盖或销毁。
• 初始化：静态创建的信号量的初始化由 xSemaphoreCreateBinaryStatic() 完成。确保在调用此函数时，提供的结构体已经被定义并且有效。

通过静态创建信号量，FreeRTOS 提供了一种在内存受限的环境中有效管理信号量的方式。这种方法适用于那些对内存使用有严格要求的嵌入式系统。

四、释放信号量 

1、 xSemaphoreGive()

在FreeRTOS中，放信号量（即释放信号量）的API函数是 xSemaphoreGive()。它的功能是释放之前由 xSemaphoreTake() 取得的信号量，从而允许其他任务或中断获取该信号量。以下是 xSemaphoreGive() 的详细解释：

功能

• 将一个二值信号量的计数器增加，从而允许其他任务或中断获取该信号量。

函数原型

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

参数

• xSemaphore: 需要释放的信号量的句柄。该句柄是通过 xSemaphoreCreateBinary()、xSemaphoreCreateBinaryStatic() 或类似的 API 创建的。

返回值

• pdPASS: 成功释放信号量，表示信号量操作完成。
• pdFAIL: 释放信号量失败。通常这种情况不会发生，因为 xSemaphoreGive() 在成功的情况下总是返回 pdPASS。

示例代码

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

// 假设 xSemaphore 是之前创建的信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore;

// 放信号量的函数
void vTaskFunction(void *pvParameters)
{
    // 放信号量
    if (xSemaphoreGive(xSemaphore) == pdPASS)
    {
        // 成功释放信号量
    }
    else
    {
        // 处理释放信号量失败的情况
    }
}

使用说明

1. 获取信号量：通常，任务在对共享资源进行操作之前会调用 xSemaphoreTake() 获取信号量。
2. 释放信号量：在任务完成对共享资源的操作后，调用 xSemaphoreGive() 释放信号量，使得其他任务可以获取该信号量。
3. 计数器管理：对于二值信号量，xSemaphoreGive() 会将信号量的计数器从 0 增加到 1。如果信号量已经在释放状态（即计数器为 1），额外的 xSemaphoreGive() 调用不会产生实际的变化。
4. 注意事项：确保每次获取信号量 (xSemaphoreTake()) 都有一个对应的释放 (xSemaphoreGive())，以避免死锁或资源竞争问题。

优点

• 任务协调：通过信号量的获取和释放机制，可以协调多个任务之间的资源访问。
• 同步控制：xSemaphoreGive() 是实现任务同步和互斥的关键函数之一，有助于确保任务间的操作顺序和资源安全。

注意事项

• 避免死锁：确保所有对 xSemaphoreTake() 的调用都有对应的 xSemaphoreGive() 调用，以避免任务死锁。
• 异常处理：虽然 xSemaphoreGive() 通常不会失败，但在设计代码时应考虑异常处理，以防在信号量管理出现问题时影响系统稳定性。

通过正确使用 xSemaphoreGive()，可以有效地管理任务间的同步和资源共享，提高系统的稳定性和可靠性。

2、xSemaphoreGiveFromISR()

功能

• 从中断服务例程中释放信号量，使得等待该信号量的任务可以被唤醒或继续执行。

函数原型

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

参数

• xSemaphore: 需要释放的信号量的句柄。
• pxHigherPriorityTaskWoken: 指向 BaseType_t 的指针，用于指示中断服务例程是否唤醒了更高优先级的任务。

返回值

• pdTRUE: 如果释放信号量导致了更高优先级的任务被唤醒。
• pdFALSE: 如果没有任务被唤醒或未发生上下文切换。

示例代码

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

// 假设 xSemaphore 是之前创建的信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore;

// 中断服务例程
void vISRHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

    // 从 ISR 中释放信号量
    xSemaphoreGiveFromISR(xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);

    // 如果发生了上下文切换，执行必要的上下文切换
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

使用说明

1. 中断中使用：当一个 ISR 完成其任务并且希望唤醒一个或多个任务时，可以使用 xSemaphoreGiveFromISR() 来释放信号量。
2. 任务唤醒：pxHigherPriorityTaskWoken 参数会被设置为 pdTRUE，如果释放信号量导致了更高优先级任务的唤醒，ISR 需要调用 portYIELD_FROM_ISR() 进行必要的上下文切换。
3. 线程安全：在 ISR 中调用 xSemaphoreGiveFromISR() 是安全的，并且 FreeRTOS 的信号量机制能够处理从中断中进行的操作。

注意事项

• 优先级管理：确保 ISR 中的优先级管理适当，以便任务在适当的时机被唤醒。
• 上下文切换：在 ISR 结束时调用 portYIELD_FROM_ISR()，以确保系统能够适当地进行任务切换。

五、获取信号量

1、xSemaphoreTake()

功能

• 该函数用于从任务上下文中获取一个信号量。如果信号量已经被其他任务获取，调用此函数的任务将会被挂起，直到信号量可用为止。

函数原型

BaseType_t xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait );

参数

• xSemaphore: 需要获取的信号量的句柄。
• xTicksToWait: 任务等待信号量的时间，以系统时钟节拍（ticks）为单位。可以设置为 portMAX_DELAY 表示无限等待，直到信号量可用为止。

返回值

• pdPASS: 成功获取信号量。
• pdFAIL: 获取信号量失败，通常是因为超时或信号量已经被其他任务获取。

示例代码

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

// 假设 xSemaphore 是之前创建的信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore;

// 任务函数
void vTaskFunction(void *pvParameters)
{
    if (xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY) == pdPASS)
    {
        // 成功获取信号量
        // 执行对共享资源的操作
        // ...

        // 释放信号量
        xSemaphoreGive(xSemaphore);
    }
    else
    {
        // 处理获取信号量失败的情况
    }
}

使用说明

1. 信号量获取: 当任务需要访问共享资源或进行任务同步时，调用 xSemaphoreTake() 来获取信号量。
2. 阻塞和超时: 如果信号量不可用，任务会被挂起，直到信号量被释放或超时。超时的设置有助于避免任务长时间挂起而造成的资源浪费。

2、xSemaphoreTakeFromISR() 

功能

• 该函数用于从中断服务例程（ISR）中获取信号量。适用于从 ISR 中访问信号量或进行中断处理。

函数原型

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

参数

• xSemaphore: 需要获取的信号量的句柄。
• pxHigherPriorityTaskWoken: 指向 BaseType_t 的指针，用于指示是否因为 ISR 中断而唤醒了更高优先级的任务。

返回值

• pdTRUE: 成功获取信号量，并且可能唤醒了更高优先级的任务。
• pdFALSE: 获取信号量失败，或者没有任务被唤醒。

示例代码

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

// 假设 xSemaphore 是之前创建的信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore;

// 中断服务例程
void vISRHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

    // 从 ISR 中获取信号量
    if (xSemaphoreTakeFromISR(xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken) == pdTRUE)
    {
        // 成功获取信号量

        // 处理信号量相关操作

        // 可能需要进行上下文切换
        portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
    }
}

使用说明

1. 中断中使用: 当中断需要获取信号量进行某些操作时，可以使用 xSemaphoreTakeFromISR()。它允许 ISR 在无需进入任务上下文的情况下进行信号量操作。
2. 任务唤醒: pxHigherPriorityTaskWoken 参数会被设置为 pdTRUE 如果信号量的获取操作导致了任务的上下文切换。

总结

• xSemaphoreTake(): 用于任务上下文中获取信号量，可以阻塞等待信号量可用，适用于普通任务操作。
• xSemaphoreTakeFromISR(): 用于中断上下文中获取信号量，能够处理 ISR 中的信号量操作，并且可能会导致任务的优先级调整和上下文切换。

通过正确使用这些函数，可以有效地实现任务之间的同步和资源的互斥访问，从而提高系统的稳定性和响应速度。