STM32-FreeRTOS操作系统-二值信号量与计数信号量

引言

在嵌入式开发领域，任务同步与通信是系统稳定运行的核心。STM32配合FreeRTOS操作系统，为开发者提供了强大的工具支持。其中，二值信号量和计数信号量作为FreeRTOS的关键同步机制，分别用于任务间的简单同步和资源计数控制。二值信号量如同一个开关，用于控制任务的进入与退出；而计数信号量则用于管理有限资源的访问，确保资源的合理分配。本文将深入剖析这两种信号量的工作原理、使用方法及在STM32平台上的应用实例，助力开发者精准掌握其精髓，提升系统开发效率与稳定性。

什么是二值信号量？

二值信号量是一种同步机制，用于在多任务环境中协调任务的执行。它本质上是一个只能取两个值（通常是0和1）的变量，类似于一个开关。当信号量的值为1时，表示资源可用；当值为0时，表示资源已被占用。在FreeRTOS中，二值信号量主要用于任务间的同步，而不是用于互斥。它的工作原理如下：当一个任务需要资源时，它会尝试获取信号量。如果信号量的值为1，任务会将其值减1并继续执行；如果信号量的值为0，任务会进入阻塞状态，等待信号量变为1。当另一个任务释放资源时，它会将信号量的值加1，从而唤醒等待的任务。

什么是计数信号量？

计数信号量是一种用于同步和资源管理的机制，它维护一个非负整数值，表示可用资源的数量。在FreeRTOS中，计数信号量通常用于管理有限数量的资源，例如缓冲区、硬件设备等。计数信号量的工作原理如下：当一个任务需要使用资源时，它会尝试获取信号量。如果信号量的值大于0，任务会将其值减1并继续执行，表示占用了一个资源；如果信号量的值为0，任务会进入阻塞状态，等待资源变为可用。当任务释放资源时，它会将信号量的值加1，从而表示资源数量增加，可能会唤醒等待的任务。

二值信号量

创建二值信号量句柄

步骤都跟前面的创建任务差不多，只不过在创建任务的基础上添加了二值信号量的相关函数，从本文章开始就不再细说怎么创建任务，直接开始讲二值信号量的创建及使用。

首先定义一下二值信号量的句柄并为其赋初始值为NULL：

SemaphoreHandle_t BinarySem_Handle =NULL; //二值信号量句柄

然后是xSemaphoreCreateBinary，它是FreeRTOS操作系统提供的一个函数，用于创建一个二值信号量，前面也说了，二值信号量是一个特殊的信号量，它的值只能是0或1，通常用于任务间的同步。其函数原型为：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);

这个函数没有参数，但有一个返回值，通常返回的是一个二值信号量的句柄，如果创建成功就返回相应的值，失败就返回NULL。

发送二值信号量

也叫释放二值信号量，其函数为xSemaphoreGive()，该函数原型为：

BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore)

参数xSemaphore为需要发送或释放的信号量句柄，这里我们填入上面定义好的二值信号量句柄。同时，该函数还有一个返回值，返回的类型是BaseType_t,通常是一个整数类型。如果返回值为pdTRUE(在freertos中通常定义为1)，则表示信号量发送或释放成功。如果返回值为pdFALSH(在freertos中通常定义为0)，则表示发送或释放失败。

获取二值信号量

有发送就有获取，其函数为xSemaphoreTake()，该函数原型为：

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait);

参数xSemaphore跟上面的一样，填入定义好的句柄即可。参数xTicksToWait为任务等待信号量的最大时间，可根据需要选择，通常为portMAX_DELAY。该函数还有一个返回值，跟上面一样，这里就跳过了。

二值信号量示例代码

cs 复制代码

#include "myfreertos.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"
#include "queue.h"
#include "Usart.h"
#include "oled.h"
#include "Task.h"
#include "led.h"
#include "key.h"

TaskHandle_t MyTaskHandler;//任务句柄

TaskHandle_t MyTask1Handler;//任务1句柄

TaskHandle_t SendTask_Handler;  //发送消息句柄

TaskHandle_t ReceiveTask_Handler;//接收消息句柄

void MyTask(void *pvParameters);    //声明启动函数

void MyTask1(void *pvParameters);   //声明任务1函数

void Send_task(void *pvParameters);  //声明发送消息函数

void Receive_task(void *pvParameters);  //声明接收消息函数

SemaphoreHandle_t BinarySem_Handle =NULL; //二值信号量句柄

void Start_Task(void)
{
	xTaskCreate(MyTask,"MyTask",128,NULL,1,&MyTaskHandler);//动态方法创建任务
	vTaskStartScheduler();//启动任务调动		
}

void MyTask(void *arg)            //开始创建任务函数
{
	taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区	
	
	/* 创建二值信号量 BinarySem */
	BinarySem_Handle = xSemaphoreCreateBinary();	

	xTaskCreate(MyTask1,"MyTask1",50,NULL,2,&MyTask1Handler);//动态方法创建任务1
	
	xTaskCreate(Receive_task,"Receive_task",50,NULL,3,&ReceiveTask_Handler);//创建接收消息任务
	
	xTaskCreate(Send_task,"Send_task",50,NULL,4,&SendTask_Handler);  //创建发送消息任务

  vTaskDelete(MyTaskHandler);    //删除开始任务
	taskEXIT_CRITICAL();           //退出临界区
}

void MyTask1(void *arg)     //任务1函数体
{
	
	while(1)
	{
		OLED_ShowString(1,1,"Runing Task Led");
		GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);
		vTaskDelay(300);
		GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);
		vTaskDelay(900);
	}	
}

//接收任务函数
void Receive_task(void *pvParameters)
{
  BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
	
	while(1)
   {		      
		 //获取二值信号量 xSemaphore,没获取到则一直等待
		xReturn = xSemaphoreTake(BinarySem_Handle,100); /* 等待时间 */
		if(pdTRUE == xReturn)
		OLED_ShowString(3,1,"Receive_OK");
		else
		OLED_ShowString(3,1,"Receive_NO");
		vTaskDelay(200);
	 }
}

//发送任务函数
void Send_task(void *pvParameters)
{
	BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
	
	while(1)
    {
			if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6)==1)
			{
			  xReturn = xSemaphoreGive( BinarySem_Handle );//给出二值信号量
		   	if( xReturn == pdTRUE )
		  	OLED_ShowString(2,1,"Send_OK");
	  	}
			else
			{
			  OLED_ShowString(2,1,"Send_NO");
			}
		  vTaskDelay(200);
    }
}

计数信号量

创建计数信号量

跟二值信号量一样，先定义一个计数信号量句柄并给其赋初值为NULL：

SemaphoreHandle_t CountSem_Handle =NULL; //计数信号量句柄

xSemaphoreCreateCounting()是FreeRTOS中用于创建计数信号量的函数，其函数原型为：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(

UBaseType_t uxMaxCount,

UBaseType_t uxInitialCount

)

参数uxMaxCount是计数信号量的最大计数值，当信号量值达此值时，不能再通过xSemaphoreGive增加其值。参数uxInitialCount为信号量的初始计数值。该函数还有一个返回值，如果成功创建信号量，就返回信号量的句柄，失败则返回NULL。

发送计数信号量与获取计数信号量

步骤都跟二值信号量大致相同，这里就不过多论述。

计数信号量示例代码

cs 复制代码

#include "myfreertos.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"
#include "queue.h"
#include "Usart.h"
#include "oled.h"
#include "Task.h"
#include "led.h"
#include "key.h"


TaskHandle_t MyTaskHandler;//任务句柄

TaskHandle_t MyTask1Handler;//任务1句柄

TaskHandle_t SendTask_Handler;  //发送消息句柄

TaskHandle_t ReceiveTask_Handler;//接收消息句柄

void MyTask(void *pvParameters);    //声明启动函数

void MyTask1(void *pvParameters);   //声明任务1函数

void Send_task(void *pvParameters);  //声明发送消息函数

void Receive_task(void *pvParameters);  //声明接收消息函数

SemaphoreHandle_t CountSem_Handle =NULL; //计数信号量句柄

void Start_Task(void)
{
	xTaskCreate(MyTask,"MyTask",128,NULL,1,&MyTaskHandler);//动态方法创建任务
	vTaskStartScheduler();//启动任务调动		
}

void MyTask(void *arg)            //开始创建任务函数
{
	taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区	
	
	/* 创建 CountSem */
	CountSem_Handle = xSemaphoreCreateCounting(5,5); 	

	xTaskCreate(MyTask1,"MyTask1",50,NULL,2,&MyTask1Handler);//动态方法创建任务1
	
	xTaskCreate(Receive_task,"Receive_task",50,NULL,3,&ReceiveTask_Handler);//创建接收消息任务
	
	xTaskCreate(Send_task,"Send_task",50,NULL,4,&SendTask_Handler);  //创建发送消息任务

  vTaskDelete(MyTaskHandler);    //删除开始任务
	taskEXIT_CRITICAL();           //退出临界区
}

void MyTask1(void *arg)     //任务1函数体
{
	
	while(1)
	{
		OLED_ShowString(1,1,"Runing Task Led");
		GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);
		vTaskDelay(300);
		GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);
		vTaskDelay(900);
	}	
}

//接收任务函数
void Receive_task(void *pvParameters)
{
  BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
	
	while(1)
   {		      
		 //获取计数信号量 xSemaphore,没获取到则一直等待
		xReturn = xSemaphoreTake(CountSem_Handle,100); /* 等待时间 */
		if(pdTRUE == xReturn)
		OLED_ShowString(3,1,"Receive_OK");//
		else
		OLED_ShowString(3,1,"Receive_NO");
		vTaskDelay(200);
	 }
}

//发送任务函数
void Send_task(void *pvParameters)
{
	BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
	
	while(1)
    {
			if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6)==1)
			{
			   xReturn = xSemaphoreGive( CountSem_Handle );//给出计数信号量
		   	if( xReturn == pdTRUE )
		  	OLED_ShowString(2,1,"Send_OK");
	  	}
			else
			{
			  OLED_ShowString(2,1,"Send_NO");
			}
		  vTaskDelay(200);
    }
}

二值信号量与计数信号量的区别

二值信号量只有两种状态（0和1），通常用于控制互斥访问，一次只允许一个进程进入临界区。而计数信号量可以有多个值，用于表示资源的数量，允许多个进程同时访问有限数量的资源。

讲解一下上面两个代码的思路

二值信号量

这个我主要是通过按下按键然后去释放二值信号量，按下按键释放二值信号量，然后被接收二值信号量任务接收，该任务就会执行里面的程序，执行完以后退出，二值信号量的信息返回值有由1变0，等待下一次信号的到来。值得注意的是，二值信号量是单次事件，如果需要执行多个事件，执行事件的顺序就从高优先级向低优先级执行，不能同时执行。

计数信号量

跟二值信号量的思路逻辑是一样的，但对于计数信号量而言，它能同时执行多个任务，提高了资源的利用率。

总结

以上是我的个人看法，如有不足，欢迎指出！