什么是信号量？信号量的种类、使用方法与 STM32 案例

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一、什么是信号量？

信号量可以理解为 RTOS 里的一种"受保护的计数器"：任务通过它申请资源、等待事件、协调执行顺序。

在 STM32 + FreeRTOS 里，最常用的是 二值信号量 和 计数信号量 ；如果只是为了保护共享资源不被多个任务同时访问，通常更推荐用 互斥信号量。

二、信号量的种类

类型	取值/特点	典型用途
二值信号量	0 / 1	任务同步、中断通知任务
计数信号量	0 ~ 最大值	管理多个同类资源、事件计数
互斥信号量	特殊二值信号量，带优先级继承	保护临界资源，避免优先级反转
递归信号量	同一任务可多次获取	递归调用或嵌套加锁场景

三、基本使用方法

FreeRTOS 中信号量常用 API：

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xSemaphoreCreateBinary();          // 创建二值信号量
xSemaphoreCreateCounting(max, init);// 创建计数信号量
xSemaphoreTake(sem, timeout);      // 获取信号量
xSemaphoreGive(sem);               // 释放信号量
xSemaphoreGiveFromISR(sem, &hp);   // 中断中释放信号量

使用流程一般是：

创建信号量：在调度器启动前创建。
任务获取 ：调用 xSemaphoreTake()，获取不到就阻塞等待。
事件/资源释放 ：调用 xSemaphoreGive() 或 xSemaphoreGiveFromISR()。
配对使用：Take 和 Give 必须成对出现，否则容易造成任务永久阻塞。

四、STM32 案例一：二值信号量做任务同步

场景： 传感器采集任务采集完数据后，通知数据处理任务开始处理。

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#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"

SemaphoreHandle_t xDataReadySem;

void vSensorTask(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        /* 采集传感器数据 */
        // Sensor_Read();

        /* 数据准备好，释放信号量 */
        xSemaphoreGive(xDataReadySem);

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

void vProcessTask(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        /* 等待数据就绪 */
        if (xSemaphoreTake(xDataReadySem, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
        {
            /* 处理数据 */
            // Data_Process();
        }
    }
}

int main(void)
{
    /* 硬件初始化省略 */

    xDataReadySem = xSemaphoreCreateBinary();

    if (xDataReadySem != NULL)
    {
        xTaskCreate(vSensorTask,  "Sensor",  128, NULL, 1, NULL);
        xTaskCreate(vProcessTask, "Process", 128, NULL, 2, NULL);
        vTaskStartScheduler();
    }

    for (;;);
}

这里 vSensorTask 负责释放信号量，vProcessTask 负责获取信号量。二值信号量创建后初始为空，所以处理任务会先阻塞，直到采集任务给出信号量。

五、STM32 案例二：中断通知任务

场景： 按键中断发生后，唤醒一个任务处理按键事件。

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SemaphoreHandle_t xKeySem;

void vKeyTask(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        if (xSemaphoreTake(xKeySem, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
        {
            /* 处理按键 */
            // Key_Handler();
        }
    }
}

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

    /* 清除中断标志省略 */

    xSemaphoreGiveFromISR(xKeySem, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

int main(void)
{
    /* 硬件初始化省略 */

    xKeySem = xSemaphoreCreateBinary();
    xTaskCreate(vKeyTask, "KeyTask", 128, NULL, 2, NULL);
    vTaskStartScheduler();

    for (;;);
}

注意：中断里不能用 xSemaphoreGive()，必须用 xSemaphoreGiveFromISR()。

六、STM32 案例三：计数信号量管理资源

场景： 系统有 3 个串口缓冲区，最多允许 3 个任务同时使用。

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SemaphoreHandle_t xUartResSem;

void vUartUserTask(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        /* 申请一个串口缓冲区资源 */
        if (xSemaphoreTake(xUartResSem, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
        {
            /* 使用串口缓冲区 */
            // UART_Send();

            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50));

            /* 使用完毕，归还资源 */
            xSemaphoreGive(xUartResSem);
        }

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));
    }
}

int main(void)
{
    /* 硬件初始化省略 */

    xUartResSem = xSemaphoreCreateCounting(3, 3);

    if (xUartResSem != NULL)
    {
        xTaskCreate(vUartUserTask, "UartUser1", 128, NULL, 1, NULL);
        xTaskCreate(vUartUserTask, "UartUser2", 128, NULL, 1, NULL);
        xTaskCreate(vUartUserTask, "UartUser3", 128, NULL, 1, NULL);
        vTaskStartScheduler();
    }

    for (;;);
}

这里最大计数值是 3，初始值也是 3，表示一开始有 3 个可用资源。每调用一次 xSemaphoreTake()，计数值减 1；调用 xSemaphoreGive()，计数值加 1。

七、选型建议

任务/中断同步：优先用二值信号量。
管理多个同类资源：用计数信号量。
保护共享资源互斥访问：优先用互斥信号量，因为它支持优先级继承，能降低优先级反转风险。
中断里释放信号量 ：必须使用 xSemaphoreGiveFromISR()。
简单事件通知：在 STM32 + FreeRTOS 里也可以考虑任务通知，开销通常更小。