5.2 FreeRTOS 二值信号量使用示例-笔记

FreeRTOS 二值信号量使用示例-笔记

• 系统设计背景
• 二值信号量的核心价值
• 系统架构设计
• • 详细设计
  • 代码实现详解
  • • [1. 二值信号量的创建](#1. 二值信号量的创建)
    • [2. 定时器配置](#2. 定时器配置)
    • [3. 中断服务程序处理](#3. 中断服务程序处理)
    • [4. 显示任务实现](#4. 显示任务实现)
  • 工作流程分析
  • 优势分析

系统设计背景

演示二值信号量在周期性ADC数据采集中的应用。在定时器中断服务程序中，每500毫秒进行一次ADC数据采集，转换结果被写入缓存变量并释放信号量。任务持续尝试获取信号量，成功后读取ADC转换结果并显示在LCD上。

二值信号量的核心价值

二值信号量本质上是一个长度为1的队列，只有0和1两种状态。它在系统中扮演着"事件通知"的角色，当ADC转换完成时释放信号量，显示任务获取信号量后执行数据处理，实现"数据就绪"的同步机制。

系统架构设计

系统采用以下架构实现：

1. 定时器触发ADC转换
2. ADC转换完成后触发中断
3. 中断服务程序释放二值信号量
4. 显示任务等待信号量，获取后处理数据

详细设计

系统频率设置

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定时器定时触发ADC采样

在"Trigger event selection"部分，选择更新事件"update event"。

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外部触发转换源设置为定时器3触发

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要开启ADC的NVIC

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创建一个二值信号量

/* 进程间同步，程序跑到ADC中断处肯定是有数据的，刚好释放二值信号量。到了显示任务，刚好获取到信号量数，数据已准备就绪，可以进行显示。 */

代码实现详解

1. 二值信号量的创建

/* 创建二值信号量 */
BinSem_DataReadyHandle = osSemaphoreNew(1, 1, &BinSem_DataReady_attributes);

这里创建了一个初始值为1的二值信号量，表示"数据就绪"状态。

2. 定时器配置

在STM32CubeMX中配置定时器，设置"Trigger event selection"为"update event"，使定时器每500毫秒触发一次ADC转换。

3. 中断服务程序处理

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    if (hadc->Instance == ADC1)
    {
        /* 获取ADC转换结果并保存到全局变量 */
        adc_value = HAL_ADC_GetValue(hadc);
        
        /* 在中断服务例程中释放二值信号量，通知任务数据已准备就绪 */
        BaseType_t highTaskWoken = pdFALSE;
        if (BinSem_DataReadyHandle != NULL)
        {
        /*xSemaphoreGiveFromISR 用于释放一个信号量，从而通知等待该信号量的任务可以继续执行。它支持二进制信号量和计数信号量，但不支持互斥信号量（Mutex）.返回值 pdTRUE: 表示信号量成功释放。*/
            xSemaphoreGiveFromISR(BinSem_DataReadyHandle, &highTaskWoken);
            portYIELD_FROM_ISR(highTaskWoken); // 申请一次任务调度
        }
    }
}

在ADC转换完成中断中，将转换结果保存到全局变量adc_value，并释放二值信号量。xSemaphoreGiveFromISR是专门用于中断中释放信号量的API，portYIELD_FROM_ISR用于判断是否需要进行任务调度。

4. 显示任务实现

void AppTask_Show(void *argument)
{
    for (;;)
    {
        /* 等待数据准备就绪信号量，获取成功后显示ADC数据 */
        if (xSemaphoreTake(BinSem_DataReadyHandle, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
        {
            uint8_t temp_str[20];
            /* 显示ADC原始数值 */
            sprintf(temp_str, "ADC Value = %d     ", adc_value);
            lcd_show_str(10, 10 + 1 * 30, 24, temp_str, RED);
            
            /* 显示转换后的电压值，ADC参考电压3.3V，12位精度 */
            sprintf(temp_str, "Voltage = %d mV     ", adc_value * 3300 >> 12);
            lcd_show_str(10, 10 + 2 * 30, 24, temp_str, RED);
        }
    }
}

显示任务持续等待二值信号量，当信号量被释放后，任务获取信号量并读取adc_value，在LCD上显示ADC原始值和转换后的电压值。

工作流程分析

1. 定时器触发：定时器每500毫秒触发一次，启动ADC转换
2. ADC转换：ADC开始转换模拟信号
3. 转换完成：ADC转换完成后触发中断
4. 信号量释放：中断服务程序中释放二值信号量
5. 任务唤醒 ：显示任务获取信号量，从adc_value读取数据
6. 数据显示：在LCD上显示采集到的ADC值和计算出的电压值

优势分析

1. 资源高效利用：显示任务在等待信号量时处于阻塞状态，不会占用CPU资源
2. 实时响应：数据采集完成后立即通知显示任务，实现快速响应
3. 代码简洁：通过二值信号量实现任务间同步，避免了轮询和全局标志位的使用
4. 中断安全 ：使用xSemaphoreGiveFromISR和portYIELD_FROM_ISR确保中断安全