FreeRTOS Semaphore信号量-笔记

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队列的功能是将进程间需要传递的数据存在其中。所以在有的RTOS系统里，队列也被称为邮箱。

一、信号量与互斥量的核心区别

特性	信号量（Semaphore）	互斥量（Mutex）
用途	进程间同步（如事件通知）或资源计数（如ADC双缓冲区）	互斥访问共享资源（如保护全局变量或外设）
所有权	无所有权（任何任务或ISR均可释放）	有所有权（仅持有者可释放）
优先级继承机制	无（可能导致优先级翻转）	有（缓解优先级翻转）
是否可中断使用	可（通过 xSemaphoreGiveFromISR）	不可（ISR中无法使用）
初始值	二值信号量（0或1）或计数信号量（任意值）	固定为1（表示资源可用）

信号量和互斥量。信号量和互斥量的实现都是基于队列的，信号量更适用于进程间同步，而互斥量更适用于共享资源的互斥性访问。

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二、二值信号量（Binary Semaphore）

如果不使用二值信号量，而是使用一个自定义标志变量来实现以上的同步过程，则任务需要不断的查询标志变量的值，而不是像使用二值信号那样可以使任务进入阻塞动态状态。所以使用二值信号量进行进程间同步的效率更高。

1. 功能与使用场景

• 功能：作为“标志”实现任务同步，例如：
  • ADC中断通知任务：当ADC中断写入缓冲区后，释放二值信号量通知任务处理数据。
  • 任务等待事件：任务阻塞等待信号量，避免忙等待。
• 创建函数：

  // 动态分配xSemaphoreCreateBinary() xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1, semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE );//这是一个宏函数。调用的函数类似于队列（xQueueGenericCreate）创建队列时，调用的也是这个函数。

参数解析

• ( UBaseType_t ) 1

  • 队列长度：表示队列最多能容纳的“消息”数量。
  • 二进制信号量特性：二进制信号量只能处于“空”（0）或“满”（1）状态，因此队列长度设为 1。

• semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH

  • 队列项大小：定义队列中每个消息的字节长度。
  • 二进制信号量特殊性：该宏被定义为 0（#define semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH ( ( uint8_t ) 0U )），表示信号量不存储实际数据，仅用队列的空/满状态表示信号量状态。

• queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE

  • 队列类型：指定此队列用于二进制信号量，而非普通队列或其他类型（如互斥锁或计数信号量）。

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  // 静态分配SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic(StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);

• 操作函数：
  • 释放信号量（任务）：

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

参数解析

• (QueueHandle_t)(xSemaphore)

  • 信号量即队列：FreeRTOS 的信号量句柄 xSemaphore 实际上是队列句柄（QueueHandle_t）的别名。信号量通过队列实现，其行为由队列的配置参数控制（如长度、项大小等）。

• NULL

  • 无实际数据：信号量本身不传递数据，仅用队列的空/满状态表示信号量状态。因此，发送的“消息”无需有效数据，使用 NULL 即可。

• semGIVE_BLOCK_TIME

  • 阻塞时间：定义为 0（#define semGIVE_BLOCK_TIME (0)），表示调用 xSemaphoreGive 时不等待。如果队列已满（信号量已处于“可用”状态），则直接返回错误 errQUEUE_FULL。

• queueSEND_TO_BACK

  • 入队位置：将“消息”添加到队列的尾部。信号量的顺序无关紧要，因此使用尾部入队是合理的。

• 返回类型为BaseType_t，pdFALSE或者pdTRUE。

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• 释放信号量（ISR）：

xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )    xQueueGiveFromISR( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), ( pxHigherPriorityTaskWoken ) )

参数解析

• xSemaphore
  • 信号量句柄：实际是一个队列句柄（QueueHandle_t）的别名。信号量通过队列实现，其行为由队列的配置参数控制（如长度、项大小等）。
• pxHigherPriorityTaskWoken
  • 优先级唤醒标志：
  • 类型：BaseType_t *（指向布尔值的指针）。
  • 功能：如果释放信号量导致更高优先级的任务被唤醒，该指针会被设置为 pdTRUE，表示需要在退出中断前请求上下文切换。
  • 可选参数：从 FreeRTOS V7.3.0 开始，此参数可以设为 NULL。
  • 注意：如果释放信号量导致了一个任务解锁，而解锁的任务比当前任务的优先级高，这里就会返回pdTRUE。这就需要在退出ISR之前申请任务调度，以便及时的解锁高优先级的任务。

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• 获取信号量（任务）：

xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )    xQueueSemaphoreTake( ( xSemaphore ), ( xBlockTime ) )

参数解析

• xSemaphore
• 信号量句柄：实际是一个队列句柄（QueueHandle_t）的别名。信号量通过队列实现，其行为由队列的配置参数控制（如长度、项大小等）。
• 类型：SemaphoreHandle_t（底层为 QueueHandle_t）。
  ● xBlockTime
• 阻塞时间：以 Tick 为单位指定任务等待信号量的最长时间。
• portMAX_DELAY：无限期等待，直到信号量可用。
• 0：非阻塞模式，立即返回。
• 转换：使用 pdMS_TO_TICKS(ms) 将毫秒转换为 Tick（例如 pdMS_TO_TICKS(100)）。

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2. 示例：ADC中断与任务同步

// 创建二值信号量
SemaphoreHandle_t xADCSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();// ADC中断服务程序
void ADC_IRQHandler(void) {// 写入数据到缓冲区WriteDataToBuffer();// 释放信号量通知任务xSemaphoreGiveFromISR(xADCSemaphore, NULL);
}// 数据处理任务
void vDataProcessingTask(void *pvParameters) {while (1) {// 等待信号量xSemaphoreTake(xADCSemaphore, portMAX_DELAY);// 处理缓冲区数据ProcessData();}
}

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三、计数信号量（Counting Semaphore）

资源类比成一个餐馆中的四个餐桌。
管理多个共享资源。例如ADC连续数据采集时，一般使用双缓冲区，就可以使用计数信号量来进行管理。

1. 功能与使用场景

• 功能：管理多个同类型资源（如ADC双缓冲区），允许同时访问多个资源。
• 创建函数：

  // 动态分配
  SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);
  // 静态分配
  SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount, StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);
  

• 操作函数：
  • 释放资源：

    xSemaphoreGive(xSemaphore);  // 资源计数+1
    

  • 获取资源：

    xSemaphoreTake(xSemaphore, xTicksToWait);  // 资源计数-1
    

2. 示例：ADC双缓冲区管理

// 创建计数信号量（2个缓冲区）
SemaphoreHandle_t xADCBufferSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(2, 2);// ADC中断服务程序
void ADC_IRQHandler(void) {// 获取一个缓冲区if (xSemaphoreTakeFromISR(xADCBufferSemaphore, NULL) == pdTRUE) {// 写入数据到缓冲区WriteDataToBuffer();// 释放信号量（资源可用）xSemaphoreGiveFromISR(xADCBufferSemaphore, NULL);}
}// 数据处理任务
void vDataProcessingTask(void *pvParameters) {while (1) {// 获取缓冲区资源xSemaphoreTake(xADCBufferSemaphore, portMAX_DELAY);// 处理缓冲区数据ProcessData();// 释放缓冲区资源xSemaphoreGive(xADCBufferSemaphore);}
}

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四、互斥量（Mutex）

二值信号量更适用于进程间同步，而互斥量更适用于控制对互斥型资源的访问。二值信号量没有优先级继承机制，将二值信号量用于互斥型资源访问时，容易出现优先级翻转问题。而互斥量有优先级继承机制，可以减缓优先级翻转问题。

1. 功能与使用场景

• 功能：保护共享资源的独占访问（如串口），避免数据竞争。
• 创建函数：

  // 动态分配
  SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex(void);
  // 静态分配
  SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic(StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);
  

• 操作函数：
  • 释放互斥量：（可以释放二值信号量、计数信号量或者是互斥量。）

    xSemaphoreGive(xSemaphore);
    

  • 获取互斥量：

    xSemaphoreTake(xSemaphore, xTicksToWait);
    

  • 递归互斥量（允许任务多次获取同一互斥量）：

    // 创建
    SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex(void);
    // 释放
    xSemaphoreGiveRecursive(xSemaphore);
    // 获取
    xSemaphoreTakeRecursive(xSemaphore, xTicksToWait);
    

2. 示例：保护共享资源

// 创建互斥量
SemaphoreHandle_t xSharedResourceMutex = xSemaphoreCreateMutex();// 任务A
void vTaskA(void *pvParameters) {while (1) {xSemaphoreTake(xSharedResourceMutex, portMAX_DELAY);// 访问共享资源SharedResource++;xSemaphoreGive(xSharedResourceMutex);}
}// 任务B
void vTaskB(void *pvParameters) {while (1) {xSemaphoreTake(xSharedResourceMutex, portMAX_DELAY);// 访问共享资源SharedResource--;xSemaphoreGive(xSharedResourceMutex);}
}

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五、关键注意事项

1. 优先级翻转问题：

   • 二值信号量：无优先级继承机制，可能导致低优先级任务阻塞高优先级任务。
   • 互斥量：通过优先级继承机制缓解问题，但仍需谨慎设计任务优先级。

2. ISR中的使用限制：

   • 信号量：可在ISR中使用（xSemaphoreGiveFromISR）。
   • 互斥量：禁止在ISR中使用（因其依赖优先级继承）。

3. 内存分配选择：

   • 动态分配：适合资源充足的系统，但可能产生内存碎片。
   • 静态分配：适合资源受限的嵌入式系统，需手动管理内存。

4. 调试工具：

   • uxSemaphoreGetCount()：获取信号量当前值（适用于计数信号量）。
   • xSemaphoreGetMutexHolder()：检查互斥量当前持有者。

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六、总结

其他相关函数
● xSemaphoreGiveRecursive（用于递归互斥锁的释放）。
●xSemaphoreTakeRecursive（）获取二值信号量、计数信号量或者是互斥量。释放递归互斥量依然有一个专用的函数。
●uxSemaphoreGetCount（）返回传进去的这个信号量的当前值。
●xSemaphoreGetMutexHolder（）作用：返回当前持有指定互斥锁（mutex）的任务的句柄（TaskHandle）。如果互斥锁未被任何任务持有，则返回 NULL。
xSemaphoreTakeFromISR（）

• 选择信号量还是互斥量：
  • 同步需求（如事件通知）→ 信号量。
  • 资源互斥访问（如保护共享变量）→ 互斥量。
• 避免常见错误：
  • 不要在ISR中释放互斥量。
  • 确保每次获取互斥量后最终释放。
  • 使用递归互斥量时，获取与释放需严格配对。

通过合理使用信号量和互斥量，可以高效实现FreeRTOS中的任务同步与资源共享，提升系统的实时性和稳定性。