【FreeRTOS】RTOS任务的同步与互斥：（二）信号量

信号量概念
二值信号量
计数型信号量

同步与互斥是学习FreeRTOS的重点内容，同步与互斥的相关的内容可参考：
FreeRTOS入门教程（同步与互斥）
RTOS任务的同步与互斥：（一）队列

同步与互斥的概念：

同步： A等待B做完某件事
互斥： 某一资源同一时间仅能有一个用户访问
RTOS同步与互斥的方式： 队列(queue)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)、事件组(event group)、任务通知(task notification)等

信号量概念

信号量（Semaphore），是在多任务环境下使用的一种机制，是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。
信号量这个名字，我们可以把它拆分来看，信号可以起到通知信号的作用，然后我们的量还可以用来表示资源的数量，当我们的量只有0和1的时候，它就可以被称作二值信号量，只有两个状态，当我们的那个量没有限制的时候，它就可以被称作为计数型信号量。
信号量也是队列的一种。

二值信号量

二值信号量概念

二值信号量其实就是一个长度为1，大小为零的队列，只有0和1两种状态，通常情况下，我们用它来进行互斥访问或任务同步。
互斥访问： 比如门钥匙，只有获取到钥匙才可以开门
任务同步： 比如采集完成环境数据后才能显示

二值信号量相关API函数

函数	描述
`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

创建二值信号量

c 复制代码

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void )

返回值：

成功，返回对应二值信号量的句柄；
失败，返回 NULL 。

释放二值信号量

c 复制代码

BaseType_t  xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore )

参数：
xSemaphore：要释放的信号量句柄

返回值：

成功，返回 pdTRUE ；
失败，返回 errQUEUE_FULL

获取二值信号量

c 复制代码

BaseType_t  xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait );

参数：

xSemaphore：要获取的信号量句柄
xTicksToWait：超时时间，0 表示不超时，portMAX_DELAY表示卡死等待；

返回值：

成功，返回 pdTRUE ；
失败，返回 errQUEUE_FULL 。

二值信号量的案例设计

创建一个二值信号量，按下 KEY1 则释放信号量，按下 KEY2 获取信号量。
注意：

该配置建立在RTOS的基础工程上进行配置，不熟悉基础配置的可参考：使用CubeMX快速移植FreeRTOS工程到蓝桥杯开发板
硬件平台使用的是蓝桥杯的开发板（STM32G431RBT6）,若平台不一致，请根据自行的按键与LED灯进行配置
底层LED与按键扫描的实现函数请参考：使用CubeMX快速移植FreeRTOS工程到蓝桥杯开发板的文末底层功能驱动函数的实现

cubeMX配置

创建2个任务

动态方式创建一个二值信号量

软件程序设计

通过CubeMX生成的代码，已经为我们创建好了个任务及其信号量，后续用户只需要写任务逻辑即可

任务一检测到按键一按下放入信号量

c 复制代码

void task1(void const * argument)
{
	uint8_t key;
	while(1)
	{
		key = key_scan();			//扫描按键
		if(key == KEY1_PRES)	//按键一按下
		{
			//printf("key1 按下\r\n");
			if(xSemaphoreGive(binarySem1Handle) == pdTRUE)	//放入信号量
				printf("二值信号量放入成功\r\n");
			else
				printf("二值信号量放入失败\r\n");
		}
		osDelay(10);
	}
}

任务二检测到按键二按下获取信号量（以阻塞的方式获取为例）

c 复制代码

void task2(void const * argument)
{
	uint8_t key;
	while(1)
	{
		key = key_scan();
		if(key == KEY2_PRES)
		{
			//printf("key2 按下\r\n");
			//以阻塞等待的方式获取信号量
			if(xSemaphoreTake(binarySem1Handle,portMAX_DELAY) == pdTRUE)	
				printf("二值信号量获取成功\r\n");
			else
				printf("二值信号量获取失败\r\n");
		}
		osDelay(10);
	}
}

注意：系统封装的创新信号量函数 osSemaphoreCreate 在创建的时候默认已经放入了一个信号量，因此需要先读取信号量后才能放入成功，当然可以注释系统的默认创建，通过xSemaphoreCreateBinary函数重新创建一个空的信号量，这里采用默认创建。

测试效果：

计数型信号量

计数型信号量概念

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。

计数信号量的停车位模拟图

计数型信号量相关API函数

函数	描述
`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

创建计数型信号量函数原型

cpp 复制代码

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting( UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);

参数	描述
uxMaxCount	可以达到的最大计数值
uxInitialCount	创建信号量时分配给信号量的计数值

返回值：

成功，返回对应计数型信号量的句柄；
失败，返回 NULL 。

计数型信号量的释放和获取与二值信号量完全相同！！！
释放二值信号量

c 复制代码

BaseType_t  xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore )

参数：
xSemaphore：要释放的信号量句柄

返回值：

成功，返回 pdTRUE ；
失败，返回 errQUEUE_FULL

获取二值信号量

c 复制代码

BaseType_t  xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait );

参数：

xSemaphore：要获取的信号量句柄
xTicksToWait：超时时间，0 表示不超时，portMAX_DELAY表示卡死等待；

返回值：

成功，返回 pdTRUE ；
失败，返回 errQUEUE_FULL 。

二值信号量的案例设计

创建一个计数型信号量，按下 KEY1 则释放信号量，按下 KEY2 获取信号量。

cubeMX配置

创建2个任务 ：同二值信号量及其任务的管理一样，创建两个任务用于检测按键并实现逻辑业务控制程序

使能计数型信号量

创建一个计数型信号量 ：以默认的动态方式创建即可，核心需要修改信号量的名称和计数型信号量的长度

软件程序设计

通过CubeMX生成的代码，已经为我们创建好了个计数型信号量，同二值信号量一样，默认创建的初值量为最大值，这里使用创建，使得信号量初始值为0。

任务一检测到按键一按下放入计数型信号量

cpp 复制代码

void task1(void const * argument)
{
	uint8_t key;
	while(1)
	{
		key = key_scan();			//扫描按键
		if(key == KEY1_PRES)	//按键一按下
		{
			//printf("key1 按下\r\n");
			if(xSemaphoreGive(countingSem1Handle) == pdTRUE)	//放入信号量
				printf("计数型信号量放入成功\r\n\r\n");
			else
				printf("计数型信号量放入失败\r\n\r\n");
		}
		osDelay(10);
	}
}

任务二检测到按键二按下读取计数型信号量

这里获取信号量采用非阻塞方式，或信号量为空，则返回获取失败。

cpp 复制代码

void task2(void const * argument)
{
	uint8_t key;
	while(1)
	{
 
		key = key_scan();
		if(key == KEY2_PRES)
		{
			//printf("key2 按下\r\n");
			//以阻塞等待的方式获取信号量
			if(xSemaphoreTake(countingSem1Handle,portMAX_DELAY) == pdTRUE)	
				printf("计数型信号量获取成功\r\n\r\n");
			else
				printf("计数型信号量获取失败\r\n\r\n");
		}
		osDelay(10);
	}
}

测试：