FreeRTOS Semaphore信号量-笔记

- - **一、信号量与互斥量的核心区别**
  - [**二、二值信号量（Binary Semaphore）**](#二、二值信号量（Binary Semaphore）)
  - - [**1. 功能与使用场景**](#1. 功能与使用场景)
    - [**2. 示例：ADC中断与任务同步**](#2. 示例：ADC中断与任务同步)
  - [**三、计数信号量（Counting Semaphore）**](#三、计数信号量（Counting Semaphore）)
  - - [**1. 功能与使用场景**](#1. 功能与使用场景)
    - [**2. 示例：ADC双缓冲区管理**](#2. 示例：ADC双缓冲区管理)
  - **四、互斥量（Mutex）**
  - - [**1. 功能与使用场景**](#1. 功能与使用场景)
    - [**2. 示例：保护共享资源**](#2. 示例：保护共享资源)
  - **五、关键注意事项**
  - **六、总结**

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。

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：

c 复制代码

  // 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）。

c 复制代码

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

操作函数 ：
- 释放信号量（任务）：

c 复制代码

    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。

释放信号量（ISR）：

c 复制代码

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。

获取信号量（任务）：

c 复制代码

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)）。

2. 示例：ADC中断与任务同步

c 复制代码

// 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();
    }
}

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 ：

c 复制代码

// 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 ：

c 复制代码

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

获取资源 ：

c 复制代码

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

2. 示例：ADC双缓冲区管理

c 复制代码

// 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);
    }
}

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 ：

c 复制代码

// 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。）
c 复制代码
```
xSemaphoreGive(xSemaphore);
```

获取互斥量 ：

c 复制代码

xSemaphoreTake(xSemaphore, xTicksToWait);

递归互斥量 （允许任务多次获取同一互斥量）：

c 复制代码

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

2. 示例：保护共享资源

c 复制代码

// 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);
    }
}

五、关键注意事项

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。
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）。
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。
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。

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。