FreeRTOS从入门到精通第十三章（信号量）

参考教程：【正点原子】手把手教你学FreeRTOS实时系统_哔哩哔哩_bilibili

一、信号量知识回顾

1、概述

（1）信号量是一种解决同步问题的机制，可以实现对共享资源的有序访问，FreeRTOS中使用的是二值信号量、计数型信号量与互斥信号量。

（2）以计数型信号量进行举例说明：

①计数值大于0，代表有信号量资源。当获取信号量，即将资源分配给一个任务时，信号量计数值（资源数）减一，也即可分配的资源数减一；当释放信号量，即任务将资源归还给OS时，信号量计数值（资源数）加一，也即可分配的资源数加一。

②信号量的计数值都有最大值限制，如果最大值被限定为1，那么它就是二值信号量，如果最大值不是1，它就是计数型信号量。

（3）队列与信号量的对比：

|------------------------------------------|-----------------------------------|
| 队列 | 信号量 |
| ①可以容纳多个数据 ②创建队列有两部分内存------队列结构体与队列项存储空间 | ①仅存放计数值，无法存放其数据 ②创建信号量，只需分配信号量结构体 |
| 写入队列：队列项数目++ 当队列满时，可阻塞 | 释放信号量：不可阻塞，计数值++ 当计数值为最大值时，返回失败信息 |
| 读取队列：队列项数目-- 当队列为空时，可阻塞 | 获取信号量：计数值-- 当没有资源时，可阻塞 |

（4）以下为操作系统理论关于信号量的理论知识，仅供参考，FreeRTOS并不全部涉及。

2、整型信号量

（1）整型信号量定义为一个用于表示资源数目的整型量S，它与一般整型量不同，除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作wait(S)和signal(S)来访问，这两个操作分别称为P、V操作。

（2）只要是信号量S≤0，就会不断地测试，因此该机制并未遵循"让权等待"的准则，而是使进程处于"忙等"的状态。

3、记录型信号量

（1）用一个整型变量value表示资源数目，然后增加一个进程链表指针list，用于链接所有等待进程。上述两数据项可描述如下：

typedef struct

{

int value; //可用资源数目

struct process_control_block *list;

}semaphore;

（2）wait(S)和signal(S)操作的描述：

①对信号量的每次wait操作，意味着进程请求一个单位的该类资源，使系统中可供分配的该类资源数减少一个，因此描述为S->value--；当S->value<0时，表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用block原语进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S->list中，此时S->value的绝对值表示在该信号量链表中已阻塞进程的数目。可见，该机制遵循了"让权等待"准则。

②对信号量的每次signal操作表示执行进程释放一个单位资源，使系统中可供分配的该类资源数增加一个，故S->value++操作表示资源数目加1；若加1后仍是S-> value<=0，则表示在该信号量链表中仍有等待该资源的进程被阻塞，故还应调用wakeup原语，将S -> list链表中的第一个等待进程唤醒。

③如果S-> value 的初值为1，表示只允许一个进程访问临界资源，此时的信号量转化为互斥信号量，用于进程互斥。

4、AND型信号量

（1）假定现有两个进程A和B，它们都要求访问共享数据D和E，当然，共享数据都应作为临界资源，为此，可为这两个数据分别设置用于互斥的信号量Dmutex和Emutex，并令它们的初值都是1，相应地，在两个进程中都要包含两个对Dmutex和Emutex 的操作，即

如果进程A访问D之后，切换为进程B访问E，那么之后进程A需要访问E，而E此时正在被进程B访问，进程A无法继续进行，但是进程B需要访问的D此时又被A占用，进程B也无法继续进行，而它们也不释放自己已占用的资源，于是二者容易发生进程死锁。显然，当进程同时要求的共享资源越多，发生进程死锁的可能性就越大。

（2）AND同步机制的基本思想是：将进程在整个运行过程中需要的所有资源一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放，只要尚有一个资源未能分配给进程，其它所有可能为之分配的资源也不分配给它。亦即，对若干个临界资源的分配采取原子操作方式，要么把它所请求的资源全部分配到进程，要么一个也不分配。

（3）AND同步机制在wait操作中增加了一个"AND"条件，那么Swait（Simultaneous wait）和Ssignal（Simultaneous signal）的定义如下：

Swait(S1, S2, ..., Sn)

{

while(TRUE)

{

if(Si >= 1 && ... && Sn >= 1) //资源全部空闲才能进行分配

{

for(i = 1; i <= n; i++) //资源逐一分配

Si--;

break; //结束等待资源的循环

}

else

{

Place the process in the waiting queue associated with the first Si found with

Si < 1, and set the progress count of this process to the beginning of Swait operation

}

}

}
Ssignal(S1, S2, ..., Sn)

{

while(TRUE)

{

for(i = 1; i <= n; i++) //资源逐一释放

{

Si++;

Remove all the process waiting in the queue associated

with Si into the ready queue

}

}

}

5、信号量集

（1）对AND信号量机制加以扩充，对进程所申请的所有资源以及类资源不同的资源需求量，在一次P、V 原语操作中完成申请或释放。++++进程对信号量的测试值不再是1，而是该资源的分配下限值，即要求，否则不予分配；一旦允许分配，进程对该资源的需求值为，即表示资源占用量，进行++++ ++++操作++++，由此形成一般化的"信号量集"机制。

（2）"信号量集"机制对应的Swait和Ssignal格式：

Swait(S1, t1, d1, ..., Sn, tn, dn)

{

while(TRUE)

{

if(Si >= ti && ... && Sn >= ti) //待足够空闲资源之后才能进行分配

{

for(i = 1; i <= n; i++) //资源分配（每次循环分配一种资源）

{

Si = Si - di;

}

}

else

{

Place the executing process in the waiting queue of the first Si with

Si < ti, and set its program counter to the beginning of the Swait operation

}

}

}
Ssignal(S1, t1, d1, ..., Sn, tn, dn)

{

while(TRUE)

{

for(i = 1; i <= n; i++) //资源释放（每次循环释放一种资源）

{

Si = Si + di;

Remove all the process waiting in the queue associated

with Si into the ready queue

}

}

}

（3）一般"信号量集"的几种特殊情况：

①Swait(S, d, d)，只有一个信号量S，允许每次申请d个资源，若现有资源数少于d，不予分配。

②Swait(S, 1, 1)，蜕化为一般的记录型信号量（S>1时）或互斥信号量（S=1时）。

③Swait(S, 1, 0)，当S>=1时，允许多个进程进入某特定区，当S变为0后，阻止任何进程进入某特定区，相当于可控开关。

二、二值信号量

1、二值信号量概述

（1）二值信号量的本质是一个队列长度为1的队列，该队列就只有空和满两种情况。

（2）使用二值信号量的过程：创建二值信号量→释放二值信号量→获取二值信号量。

（3）二值信号量通常用于互斥访问或任务同步，与互斥信号量比较类似，但是二值信号量有可能会导致优先级翻转的问题，所以二值信号量更适合用于同步。

2、二值信号量相关API函数

（1）二值信号量相关API函数概览：

|--------------------------------|---------------|
| 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 |

（2）xSemaphoreCreateBinary函数：

①函数定义：

cpp 复制代码

#define xSemaphoreCreateBinary( )   						\
xQueueGenericCreate(1, semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE)    //创建一个长度为1的信号量型队列
#define semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH  ( (uint8_t) 0U )  //队列项的大小为0

②返回值：

|------|----------------|
| 返回值 | 描述 |
| NULL | 创建失败 |
| 其它值 | 创建成功返回二值信号量的句柄 |

（3）xSemaphoreGive函数：

①函数定义：

cpp 复制代码

#define xSemaphoreGive (xSemaphore)    						\
xQueueGenericSend((QueueHandle_t) (xSemaphore), NULL, semGIVE_BLOCK_TIME, queueSEND_TO_BACK)   //xSemaphore为要释放的信号量句柄（由于不需要写数据，故数据参数传入NULL即可）
#define semGIVE_BLOCK_TIME    ((TickType_t )0U)   //阻塞时间为零

②返回值：

|---------------|---------|
| 返回值 | 描述 |
| pdPASS | 释放信号量成功 |
| errQUEUE_FULL | 释放信号量失败 |

（4）xSemaphoreTake函数：

①函数定义：

cpp 复制代码

BaseType_t xSemaphoreTake
(
    xSemaphore,     //要获取的信号量句柄
    xBlockTime     //阻塞时间（与从队列中读数据的阻塞时间意义相同）
)

②返回值：

|---------|------------|
| 返回值 | 描述 |
| pdTRUE | 获取信号量成功 |
| pdFALSE | 超时，获取信号量失败 |

三、二值信号量实验

1、原理图与实验目标

（1）原理图：

（2）实验目标：

①设计4个任务------start_task、task1、task2、task3：

FreeRTOS从入门到精通 第十三章（信号量）

一、信号量知识回顾

1、概述

2、整型信号量

3、记录型信号量

4、AND型信号量

5、信号量集

二、二值信号量

1、二值信号量概述

2、二值信号量相关API函数

三、二值信号量实验

1、原理图与实验目标

FreeRTOS从入门到精通第十三章（信号量）