FreeRTOS二值信号量详解与实战教程

news2025/4/19 15:59:30

FreeRTOS二值信号量详解与实战教程

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1. 二值信号量核心概念解析

二值信号量(Binary Semaphore)是FreeRTOS提供的一种简单而强大的同步工具，它只有两个可能值：0或1。这种简单特性使它成为嵌入式系统中极其实用的同步原语。

💡 形象理解：二值信号量就像公共卫生间的占用指示灯：

  • 绿灯(值为1)：资源可用，任务可以获取
  • 红灯(值为0)：资源被占用，需要等待

2. 二值信号量三大应用场景

2.1 资源互斥访问

当多个任务需要访问共享资源（如全局变量、外设）时，二值信号量能确保任一时刻只有一个任务能访问该资源：

// 任务想要访问共享资源时
xSemaphoreTake(xMutexSemaphore, portMAX_DELAY);  // 获取访问权
// 访问共享资源
xSemaphoreGive(xMutexSemaphore);  // 释放访问权

2.2 任务同步控制

实现"任务A必须在任务B之前完成"的先后依赖关系：

// 任务A完成工作后
xSemaphoreGive(xSyncSemaphore);  // 发出"我完成了"的信号

// 任务B开始前
xSemaphoreTake(xSyncSemaphore, portMAX_DELAY);  // 等待任务A完成
// 开始任务B的工作

2.3 任务阻塞与唤醒机制

FreeRTOS使用优先级管理等待同一信号量的多个任务：

  • 不同优先级：高优先级任务优先获得信号量
  • 相同优先级：先等待的任务先获得信号量

3. 二值信号量的底层实现揭秘

🔍 底层原理：二值信号量实质上是一个队列长度为1的特殊队列！

在FreeRTOS内核中：

  • 队列为空 → 信号量值为0（不可用）
  • 队列有元素 → 信号量值为1（可用）

这种实现使二值信号量具有队列的所有优势，包括任务阻塞和优先级继承等特性。

4. 二值信号量核心API详解

函数描述使用场景
vSemaphoreCreateBinary()创建二值信号量（创建后自动释放一次）需要初始状态为"可用"的场景
xSemaphoreCreateBinary()创建二值信号量（不会自动释放）需要初始状态为"不可用"的场景
xSemaphoreTake()获取信号量（将信号量由1变为0）任务中获取信号量
xSemaphoreGive()释放信号量（将信号量由0变为1）任务中释放信号量
xSemaphoreTakeFromISR()中断中获取信号量中断服务程序中获取信号量
xSemaphoreGiveFromISR()中断中释放信号量中断服务程序中释放信号量

5. 二值信号量实战示例教程

下面通过一个完整示例展示二值信号量的使用方法。我们创建两个任务：

  • 任务1：定期释放信号量
  • 任务2：等待并获取信号量，成功后打印提示

5.1 代码实现步骤

  1. 准备工程：复制006多任务创建模板，并重命名为010
    在这里插入图片描述

  2. 删除不必要的代码：

#include "queue.h"

TaskHandle_t myTaskHandler3;

struct print{
	int cnt;
	char data[20];
};

		struct print data = {
			.data = "myTask1 runnig"
			};

			data.cnt++;
			xQueueSend(myPrintfQueueHandler, &data, 0);

struct print data = {
			.data = "myTask2 runnig"
		};

			data.cnt++;
			xQueueSend(myPrintfQueueHandler, &data, 0);

void myTask3(void *arg)
{
		struct print data;
		BaseType_t xStatus;
		while(1)
		{
			xStatus = xQueueReceive(myPrintfQueueHandler, &data, portMAX_DELAY);
			if(xStatus == pdPASS)
			{
			taskENTER_CRITICAL();
				printf("%s:%d\n", data.data,data.cnt);
			taskEXIT_CRITICAL();
			}
//			vTaskDelay(500);
		}
}

	xTaskCreate(myTask3,"myTask3",128,NULL,2,&myTaskHandler3);

	myPrintfQueueHandler = xQueueCreate(2,sizeof(struct print));
  1. 导入信号量头文件：
#include "semphr.h" //信号量相关的头文件
  1. 创建二值信号量：
    在这里插入图片描述

深入理解：为什么选择v开头的创建函数？

查看vSemaphoreCreateBinary定义，理解其内部实现：
在这里插入图片描述

#if ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
    #define vSemaphoreCreateBinary( xSemaphore )                                                                                     \
    {                                                                                                                                \
        ( xSemaphore ) = xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1, semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE ); \
        if( ( xSemaphore ) != NULL )                                                                                                 \
        {                                                                                                                            \
            ( void ) xSemaphoreGive( ( xSemaphore ) );                                                                               \
        }                                                                                                                            \
    }
#endif

从源码可以看出：

  • 它首先创建一个长度为1的队列
  • 创建成功后，立即执行xSemaphoreGive释放信号量，使其初始值为1（可用状态）
  • 这正是我们需要的初始状态！

对比另一个创建函数：
在这里插入图片描述

#if ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
    #define xSemaphoreCreateBinary()    xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1, semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE )
#endif

xSemaphoreCreateBinary仅创建队列，不自动释放，初始值为0（不可用状态）。

  1. 声明信号量句柄：
    在这里插入图片描述

  2. 创建失败检测：
    在这里插入图片描述

  3. 编写Task1（释放信号量）：
    在这里插入图片描述

void myTask1(void *arg)
{
		BaseType_t res = 0;

		while(1)
		{
			taskENTER_CRITICAL();
			  	printf("myTask1 runnig\n");
		
            /* 释放二值信号量 */
            res = xSemaphoreGive(myPrintfQueueHandler);
            if(res == pdPASS)
            {
                printf("Task1 release successful\r\n");
            }
            else 
            {
                printf("Task1 release failed\r\n");
            }
						taskEXIT_CRITICAL();
        vTaskDelay(500);
		}
}

📝 说明：这里使用临界区保护打印操作，防止多任务打印导致的输出混乱。

查看xSemaphoreGive定义：
在这里插入图片描述

#define xSemaphoreGive( xSemaphore )    xQueueGenericSend( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), NULL, semGIVE_BLOCK_TIME, queueSEND_TO_BACK )

本质上是向队列发送一个空数据！

  1. 编写Task2（获取信号量）：
    在这里插入图片描述
void myTask2(void *arg)
{
 BaseType_t res = 0;
    while (1)
    {
        /* 获取二值信号量 */
        res = xSemaphoreTake(myPrintfQueueHandler,portMAX_DELAY);
        if(res == pdPASS)
        {
            printf("Task2 release successful\r\n"); 
        }
        else 
        {
            printf("Task2 release failed\r\n");   
        }

    }
}

查看xSemaphoreTake定义：

#define xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )    xQueueSemaphoreTake( ( xSemaphore ), ( xBlockTime ) )
  1. 编译、调试、运行：输出如下内容表示成功
    在这里插入图片描述

5.2 实例代码深度解析

  1. 创建信号量：使用vSemaphoreCreateBinary()创建二值信号量，初始值为1（可用）。

  2. Task1工作流程：

    • 进入临界区（防止打印混乱）
    • 打印运行状态信息
    • 释放信号量（使值为1）
    • 打印释放结果
    • 退出临界区
    • 延时500ms

  3. Task2工作流程：

    • 尝试获取信号量（将值从1变为0）
    • 若成功（返回pdPASS），打印成功信息
    • 若失败，打印失败信息
    • 循环执行（无延时）

  4. portMAX_DELAY参数：表示无限等待，直到获取到信号量才继续执行。

5.3 运行结果分析

执行程序后，我们观察到典型的执行顺序：

  1. 系统启动，Task2立即获取到信号量（因初始值为1）并打印成功信息。
  2. 信号量值变为0，Task2再次尝试获取时进入阻塞状态。
  3. Task1执行，释放信号量，值变为1。
  4. Task2被唤醒，获取信号量，打印成功信息。
  5. 周而复始，形成Task1释放→Task2获取的循环。

🔍 现象解释：为什么有时Task1的释放成功信息会出现在Task2的获取成功信息之后？

这是因为任务调度的时机。当Task1释放信号量后，如果Task2优先级高于Task1，系统会立即切换到Task2执行，导致Task2的打印先于Task1的释放成功信息。

6. 二值信号量高级特性与注意事项

  1. 跨任务操作：信号量的获取和释放可以在不同任务间进行，这是实现任务同步的基础。

  2. 初始状态选择：

    • 使用vSemaphoreCreateBinary()：初始状态为"可用"（值为1）
    • 使用xSemaphoreCreateBinary()：初始状态为"不可用"（值为0）

  3. 超时参数：

    • portMAX_DELAY：永久等待
    • 0：不等待，立即返回
    • 其他值：等待指定时间（单位为tick）

  4. 中断中使用：中断服务程序中必须使用FromISR结尾的函数版本。

7. 总结与实践建议

二值信号量是FreeRTOS中极为强大且使用简单的同步工具，适用于互斥访问和任务同步场景。通过本教程的学习，你应该已经掌握了：

✅ 二值信号量的基本概念与原理
✅ 信号量的创建、获取与释放操作
✅ 常见应用场景与实现方法
✅ 底层实现机制与高级特性

应用建议

  1. 选择合适的场景：二值信号量适合简单的同步场景，复杂场景考虑计数信号量或事件组。

  2. 避免优先级反转：在互斥访问场景中，考虑使用互斥量(Mutex)代替二值信号量，因为互斥量支持优先级继承机制。

  3. 防止死锁：确保获取信号量的任务最终会释放它，避免系统陷入死锁。

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扩展思考：在什么情况下，你会选择使用二值信号量而非互斥量(Mutex)或计数信号量？欢迎在评论区讨论！

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