FreeRTOS——信号量

目录

一、概念及其应用

1.1定义

1.2作用

二、二值信号量

2.1定义

2.2二值信号量工作机制

2.3二值信号量应用场景---同步

2.4二值信号量API

2.4.1创建二值信号量

2.4.2任务中释放信号量

2.4.3中断中释放信号量

2.4.4任务中获取信号量

2.4.5中断中获取信号量

三、计数信号量

3.1定义

3.2作用

3.3创建计数信号量

3.4获取当前计数信号量的值

四、实现原理

队列、信号量、互斥信号量都是为了解决任务和中断之间通讯、同步、互斥的问题

一、概念及其应用

1.1定义

信号量 是应用层面实现任务与任务或任务与中断间通信的机制,可以类比裸机编程中的标志位

1.2作用

实现任务与任务或任务与中断间的同步功能(二值信号量)资源管理(计数信号量)临界资源的互斥访问(互斥信号量)

容易混淆:

临界段是内核的一种处理机制,不让任务或大部分中断 打断

消息队列 是实现任务与任务或任务与中断间通信的数据结构,可类比裸机编程中的数组,消息队列中的数据是重要的,而信号量中不关心数据,只关心是否为空

二、二值信号量

2.1定义

当信号量被获取了,信号量值变为0;当信号量被释放了,信号量值变为1。 把这种取值只有0与1两种状态的信号量称之为二值信号量。创建二值信号量时,系统会为创建的二值信号量分配内存

二值信号量是一种长度为1,消息大小为0的特殊消息队列。 因为这个队列只有空或满两种状态,而且消息大小为0,因此在运用时,只需要知道队列中是否有消息即可,而无需关注消息是什么

2.2二值信号量工作机制

TASK1阻塞等待信号量,直到TASK2释放后获得,解除阻塞态

2.3二值信号量应用场景---同步

1.任务与任务中同步的应用场景:

假设有一个温湿度传感器,每1s采集一次数据,把它采集的数据用液晶显示,液晶屏上的数据最快也只能是1s。但如果液晶屏刷新的周期是100ms,若温湿度数据还没更新,液晶屏根本无须刷新,只需要在1s后温湿度数据更新时刷新即可,否则CPU白白做了多次的无效数据更新操作,造成 CPU 资源浪费。要是液晶屏刷新的周期是 10s,那么温湿度的数据都变化了10次,液晶屏才来更新数据,那么这个产品测得的结果就是不准确的,所以还是需要同步协调工作,在温湿度采集完毕之后进行液晶屏数据的刷新,这样得到的结果才是最准确的,并且不会浪费 CPU 的资源。

2.任务与中断中同步的应用场景:

串口接收 中,我们不知道什么时候有数据发送过来,但如果设置一个任务专门时刻查询是否有数据到来,将会浪费CPU资源,所以在这种情况下使用二值信号量是很好的办法:当没有数据到来时,任务进入阻塞态不参与任务的调度 ;等到数据到来了释放一个二值信号量,任务就立即从阻塞态中解除,进入就绪态,然后在运行时处理数据,这样系统的资源就会得到很好的利用。

2.4二值信号量API

2.4.1创建二值信号量

cpp 复制代码
#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*创建二值信号量*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreatBinary(void)

func:dynamically creat binary semaphore and return  semaphore_handle //创建二值信号量并返回句柄,初始化信号量值为0

   
return: NULL: 堆空间不足
    	Any other value: 成功返回的句柄
    
matters needing attention: 
configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION必须置1

2.4.2任务中释放信号量

cpp 复制代码
#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*任务中释放信号量(无论是哪种具体的信号量 都用这个API!!!)*/
BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore)
    
func:release semaphore in task//任务中释放信号量

params:xSemaphore    
    
return: pdTRUE: 释放成功
    	pdFAIL: 因为信号量的实现是基于消息队列,返回失败的主要原因是消息队列已经满了
    
matters needing attention: 
此函数不支持使用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的信号量

2.4.3中断中释放信号量

cpp 复制代码
#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*中断中释放信号量(无论是哪种具体的信号量 都用这个API!!!)*/
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)

func:release semaphore in ISR //中断中释放信号量    
    
params:xSemaphore 句柄
        pxHigherPriorityTaskWoken 用于保存是否有高优先级任务准备就绪 意味着释放信号量成功后,是否进行上下文切换(pdTRUE) 
    						      一般使用NULL

return: pdTRUE:        释放成功
    	errQUEUE_FULL: 已经释放过了,相当于信号量的值顶满了 1~1
    
matters needing attention: 
此函数不支持使用 xSemaphoreCreateMutex ()创建的信号量

2.4.4任务中获取信号量

cpp 复制代码
#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*任务中获取信号量(无论是哪种具体的信号量 都用这个API!!!)*/
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait)

func:get semaphore in task//任务中获取信号量    
    
params:xSemaphore   句柄
    	xTicksToWait 阻塞时间 portMAX_DELAY表示一直"痴情"等

return: pdTRUE: 获取成功
    	pdFAIL: 获取失败
    
matters needing attention: 
此函数不支持使用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的信号量

2.4.5中断中获取信号量

cpp 复制代码
#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*中断中获取信号量(无论是哪种具体的信号量 都用这个API!!!)*/
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)

func:get semaphore in isr//中断中获取信号量    
    
params:xSemaphore 句柄
        pxHigherPriorityTaskWoken 用于保存是否有高优先级任务准备就绪 意味着释放信号量成功后,是否进行上下文切换(pdTRUE) 
    						      一般使用NULL   

return: pdTRUE: 获取成功
    	pdFAIL: 获取失败
    
matters needing attention: 
只能在中断中调用,没有阻塞功能

三、计数信号量

3.1定义

取值为0~n(n>1具体用户决定)的信号量

3.2作用

计数信号量是资源管理 的重要手段,主要用于任务与任务间

3.3创建计数信号量

cpp 复制代码
#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*创建计数信号量*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreatCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount)
  
func:dynamically creat counting semaphore and return  semaphore_handle //创建、初始化计数信号量并返回句柄

param: uxMaxCount       最大值
        uxInitialCount   初始值  
   
return: NULL: 堆空间不足
    	Any other value: 成功返回的句柄
    
matters needing attention: 
configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION必须置1
USE_COUNTING_SEMAPHORE必须置1

3.4获取当前计数信号量的值

cpp 复制代码
#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

/*获取当前计数信号量的值*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreGetCount(SemaphoreHandle_t xSemaphore)
  
func:return current value of counting semaphore //返回当前计数信号量的值

param: xSemaphore  计数信号量句柄
   
    
matters needing attention: None

四、实现原理

信号量是基于消息队列实现的机制,这点在代码中有很好的印证

1.二值信号量的创建

xSemaphoreCreatBinary(队列长度=1,ItemSize=0,消息队列类型参数)

消息大小为0因为消息空间没有意义

2.计数信号量

xSemaphoreCreatCounting() 实际接口xQueueCreatCountingSemaphore(),内部调用消息队列的创建API

uxMessageWaiting = uxInitialCount 表示创建后就可获取,不用阻塞等待

3.信号量的删除

完全拷贝消息队列的删除

4.释放信号量

Give对应Send,任务级对应任务级,中断级对应中断级。

消息队列的发送/接收都有阻塞任务的功能,但信号量的释放是把阻塞参数设为0,因为信号量释放是一个紧急事件,当信号量资源达到最大,就不需要再等待其他任务使用

中断中的Give实际又封装了一个消息队列give的API,与send的区别就是没有数据拷贝功能(也不需要),因为信号不占用空间

5.获取信号量

如同Give对应Send,Take则对应Receive,区别就是接收缓冲区=NULL,出队固定删除空间

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