freeRTOS中最常用到的信號量有哪些

在操作系統(tǒng)系統(tǒng)中，信號量通常用于控制對共享資源的訪問和任務之間進行同步，信號量在操作系統(tǒng)中是很常用的，也是學習freeRTOS操作系統(tǒng)必須要掌握的。

freeRTOS中最常用到的信號量有：二值信號量、計數(shù)信號量、互斥信號量。

有關這幾個信號量分別如下：

1、二值信號量

1.1、二值信號量

二值信號量是指所創(chuàng)建的信號量只有兩個值（0 和 1），通常用于互斥訪問或者同步。

二值信號量在某處被占有使用之后，其他地方想要申請這個二值信號量是無法成功申請的，只有當這個被占有的二值信號量被使用完畢并釋放之后，才能被再次申請占有使用！

總而言之，二值信號量被使用之后會變?yōu)闊o效狀態(tài)，需要被重新釋放才能進入有效狀態(tài)。

在freeRTOS中，二值信號量的創(chuàng)建和使用的API管理函數(shù)分別如下：

1.2、創(chuàng)建二值信號量

函數(shù)原型：SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void)

函數(shù)描述：

函數(shù)** xSemaphoreCreateBinary** 用于創(chuàng)建二值信號量。

返回值： 如果創(chuàng)建成功會返回二值信號量的句柄，創(chuàng)建失敗會返回 NULL。

1.3、等待二值信號量

在freeRTOS中，信號量的獲取是進行了區(qū)分的，在任務或者函數(shù)中獲取與在中斷中是不一樣的，freeRTOS中給出了不同API函數(shù)。

1）在任務代碼中等待信號量

函數(shù)原型：xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore,  /* 信號量句柄 */           TickType_t xTicksToWait );     /* 等待信號量可用的最大等待時間 */

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreTake 用于在任務代碼中獲取信號量。

第 1 個參數(shù)是信號量句柄。

第 2 個參數(shù)是沒有信號量可用時，等待信號量可用的最大等待時間，單位系統(tǒng)時鐘節(jié)拍。

返回值：如果創(chuàng)建成功會獲取信號量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

使用這個函數(shù)要注意以下問題：

此函數(shù)是用于任務代碼中調用的，不可以在中斷服務程序中調用此函數(shù)，中斷服務程序使用的是xSemaphoreTakeFromISR。

2）在中斷中等待信號量

xSemaphoreTakeFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )

函數(shù)描述：

函數(shù)xSemaphoreTakeFromISR用于在中斷中獲取信號量。

第 1 個參數(shù)是要獲取的信號量的句柄。這是創(chuàng)建信號量時返回的句柄。

第 2 個參數(shù)是如果采用信號量導致任務取消阻止，并且未阻止的任務的優(yōu)先級高于當前運行的任務，則xSemaphoreTakeFromISR（）會將pxHigherPriorityTaskWoken設置為pdTRUE。

如果xSemaphoreTakeFromISR（）將此值設置為pdTRUE，則應在退出中斷之前請求上下文切換。

返回值：如果創(chuàng)建成功會獲取信號量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

1.4、釋放二值信號量

1）用于在任務代碼中釋放二值信號量

函數(shù)原型：

xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號量句柄 */

函數(shù)描述：釋放信號量

函數(shù) xSemaphoreGive 用于在任務代碼中釋放信號量。

第 1 個參數(shù)是信號量句柄。

返回值，如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因為信號量的實現(xiàn)是基于消息隊列，返回失敗的主要原因是消息隊列已經滿了。

注意：此函數(shù)是用于任務代碼中調用的，不可以在中斷服務程序中調用此函數(shù)。

2）用于在中斷中釋放二值信號量

函數(shù)原型：

xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, signed BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreGiveFromISR 用于中斷服務程序中釋放信號量。

第 1 個參數(shù)是信號量句柄。

第2個參數(shù)用于保存是否有高優(yōu)先級任務準備就緒。如果函數(shù)執(zhí)行完畢后，此參數(shù)的數(shù)值是pdTRUE，說明有高優(yōu)先級任務要執(zhí)行，否則沒有。

返回值：如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 errQUEUE_FULL。

2、計數(shù)信號量

計數(shù)信號量是一個相當于長度大于1的隊列，用于任務之間的同步和共享資源的保護。

計數(shù)信號量與二值信號量的不同在于，二值信號量只能被一個地方申請使用，只有在這個申請使用的地方了釋放了才能被其他處申請使用。而計數(shù)信號量是可以創(chuàng)建一定數(shù)量的信號量的，多個地方可以同時申請使用，直到達到最大的計數(shù)信號量的閾值。

計數(shù)信號量相關的API函數(shù)：

2.1、創(chuàng)建計數(shù)信號量

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting( UBaseType_t uxMaxCount,   /* 支持的最大計數(shù)值 */               UBaseType_t uxInitialCount);    /* 初始計數(shù)值 */

第 1 個參數(shù)：設置此計數(shù)信號量支持的 最大計數(shù)值 。

第 2 個參數(shù)：設置計數(shù)信號量的 初始值 。（為0則不起作用）

返回值：如果創(chuàng)建成功會返回消息隊列的句柄，創(chuàng)建失敗會返回 NULL。

2.2、獲取信號量

1）在任務代碼中獲取信號量

xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號量句柄 */           TickType_t xTicksToWait ); /* 等待信號量可用的最大等待時間 */

函數(shù) xSemaphoreTake 用于在任務代碼中獲取信號量。

第 1 個參數(shù)是信號量句柄。

第 2 個參數(shù)是沒有信號量可用時，等待信號量可用的最大等待時間，單位系統(tǒng)時鐘節(jié)拍。

返回值：如果信號量獲取成功會返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

2）在中斷中獲取信號量

xSemaphoreTakeFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )

函數(shù)描述：

函數(shù) **xSemaphoreTakeFromISR **用于在中斷中獲取信號量。

第 1 個參數(shù)是要獲取的信號量的句柄。這是創(chuàng)建信號量時返回的句柄。

第 2 個參數(shù)是如果采用信號量導致任務取消阻止，并且未阻止的任務的優(yōu)先級高于當前運行的任務，則xSemaphoreTakeFromISR（）會將pxHigherPriorityTaskWoken設置為pdTRUE。如果xSemaphoreTakeFromISR（）將此值設置為pdTRUE，則應在退出中斷之前請求上下文切換。

返回值，如果創(chuàng)建成功會獲取信號量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

2.3、釋放信號量

1）在任務代碼中釋放信號量

xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號量句柄 */

函數(shù) xSemaphoreGive 用于在任務代碼中釋放信號量。

第 1 個參數(shù)是信號量句柄。

返回值，如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因為計數(shù)信號量的實現(xiàn)是基于消息隊列，返回失敗的主要原因是消息隊列已經滿了。

2）在中斷中釋放信號量

xSemaphoreGiveFromISR(          SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號量句柄 */          signed BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken /* 高優(yōu)先級任務是否被喚醒的狀態(tài)保存 */          )

第 1 個參數(shù)是信號量句柄。

第2個參數(shù)用于保存是否有高優(yōu)先級任務準備就緒。如果函數(shù)執(zhí)行完畢后，此參數(shù)的數(shù)值是pdTRUE，說明有高優(yōu)先級任務要執(zhí)行，否則沒有。

返回值：如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 errQUEUE_FULL。

3、優(yōu)先級反轉 & 互斥信號量

在實時操作系統(tǒng)中，優(yōu)先級反轉的問題是不容忽視的，程序設計的過程中，也是要充分考慮這個問題的。

那優(yōu)先級反轉到底是什么呢？

優(yōu)先反轉是指：假如一個系統(tǒng)中有高（H）、中（M）、低（L）三個優(yōu)先級的任務，并有一個二值信號量。在某一個時刻二值信號量被低（L）優(yōu)先級的任務使用了，并在運行過程中，高優(yōu)先級任務（H）搶占了低優(yōu)先級（L）的CPU使用權，但是也想要獲取二值信號量被低優(yōu)先（L）的任務占有著，高優(yōu)先級任務（H）由此被掛起等待了，中優(yōu)先級任務（M）因為不需要二值信號量，會搶占低優(yōu)先級（L）任務的執(zhí)行而得到運行，而高優(yōu)先級任務（H）依然只能等到低優(yōu)先級任務（L）釋放二值信號量才能得到執(zhí)行。

由此造成了高優(yōu)先級任務得不到及時的執(zhí)行，而低優(yōu)先級任務卻能比高優(yōu)先級任務更多的得到執(zhí)行。

優(yōu)先級互斥的示意圖如下：

解決優(yōu)先級反轉的問題最好的辦法是使用互斥信號量。

互斥信號量和二值信號量比較相似，不同之處在于互斥信號量具有優(yōu)先級繼承的特性，如果一個互斥信號量正在被一個低優(yōu)先級的任務使用，而此時這個高優(yōu)先級的任務也希望獲取這個互斥信號量的話就會被阻塞。

使用互斥信號量時，高優(yōu)先級的任務會把低優(yōu)先級的任務的優(yōu)先級先提高到和自己相同的優(yōu)先級，保證低優(yōu)先級的任務能夠繼續(xù)運行至結束這樣極大減少了因為高優(yōu)先級獲取不到信號量被阻塞過長時間的問題。

互斥信號量的API函數(shù)：

1）創(chuàng)建互斥信號量

函數(shù)原型：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex(void)

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreCreateMutex 用于創(chuàng)建互斥信號量。

返回值：如果創(chuàng)建成功會返回互斥信號量的句柄，失敗會返回 NULL。

2）獲取互斥信號量

函數(shù)原型：

xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號量句柄 */           TickType_t xTicksToWait ); /* 等待信號量可用的最大等待時間 */

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreTake 用于在任務代碼中獲取信號量。

第 1 個參數(shù)是信號量句柄。

第 2 個參數(shù)是沒有信號量可用時，等待信號量可用的最大等待時間，單位系統(tǒng)時鐘節(jié)拍。

返回值：如果創(chuàng)建成功會獲取信號量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

（2）釋放互斥信號量

函數(shù)原型：

xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號量句柄 */

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreGive 用于在任務代碼中釋放信號量。

第 1 個參數(shù)是信號量句柄。

返回值：如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因為信號量的實現(xiàn)是基于消息隊列，返回失敗的主要原因是消息隊列已經滿了。