FreeRTOS四種信號(hào)量詳細(xì)介紹

1、二值信號(hào)量

二值信號(hào)量通常用于互斥訪問(wèn)或同步，二值信號(hào)量和互斥信號(hào)量非常類似，但是還是有一些細(xì)微的差別，互斥信號(hào)量擁有優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制，二值信號(hào)量沒(méi)有優(yōu)先級(jí)繼承。因此二值信號(hào)量更適合用于同步（任務(wù)與任務(wù)或任務(wù)與中斷的同步），而互斥信號(hào)量適合用于簡(jiǎn)單的互斥訪問(wèn)。

和隊(duì)列一樣，信號(hào)量 API 函數(shù)允許設(shè)置一個(gè)阻塞時(shí)間，阻塞時(shí)間是當(dāng)任務(wù)獲取信號(hào)量的時(shí)候由于信號(hào)量無(wú)效從而導(dǎo)致任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)的最大時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)。如果多個(gè)任務(wù)同時(shí)阻塞在同一個(gè)信號(hào)量上的話那么優(yōu)先級(jí)最高的哪個(gè)任務(wù)優(yōu)先獲得信號(hào)量，這樣當(dāng)信號(hào)量有效的時(shí)候高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就會(huì)解除阻塞狀態(tài)。

二值信號(hào)量其實(shí)就是一個(gè)只有一個(gè)隊(duì)列項(xiàng)的隊(duì)列，這個(gè)特殊的隊(duì)列要么是滿的，要么是空的，這不正好就是二值的嗎？任務(wù)和中斷使用這個(gè)特殊隊(duì)列不用在乎隊(duì)列中存的是什么消息，只需要知道這個(gè)隊(duì)列是滿的還是空的?？梢岳眠@個(gè)機(jī)制來(lái)完成任務(wù)與中斷之間的同步。

在實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)使用一個(gè)任務(wù)來(lái)處理 MCU 的某個(gè)外設(shè)，比如網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，一般最簡(jiǎn)單的方法就是使用一個(gè)任務(wù)去輪詢的查詢 MCU 的 ETH 外設(shè)是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)的時(shí)候就處理這個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。這樣使用輪詢的方式是很浪費(fèi)CPU 資源的，而且也阻止了其他任務(wù)的運(yùn)行。最理想的方法就是當(dāng)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)候網(wǎng)絡(luò)任務(wù)就進(jìn)入阻塞態(tài)，把 CPU 讓給其他的任務(wù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)的時(shí)候網(wǎng)絡(luò)任務(wù)才去執(zhí)行?，F(xiàn)在使用二值信號(hào)量就可以實(shí)現(xiàn)這樣的功能，任務(wù)通過(guò)獲取信號(hào)量來(lái)判斷是否有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，沒(méi)有的話就進(jìn)入阻塞態(tài)，而網(wǎng)絡(luò)中斷服務(wù)函數(shù)通過(guò)釋放信號(hào)量來(lái)通知任務(wù)以太網(wǎng)外設(shè)接收到了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)可以去提取處理了。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)只是在一直的獲取二值信號(hào)量，它不會(huì)釋放信號(hào)量，而中斷服務(wù)函數(shù)是一直在釋放信號(hào)量，它不會(huì)獲取信號(hào)量。在中斷服務(wù)函數(shù)中發(fā)送信號(hào)量可以使用函數(shù) xSemaphoreGiveFromISR（）。

2、計(jì)數(shù)型信號(hào)量

有些資料中也將計(jì)數(shù)型信號(hào)量叫做數(shù)值信號(hào)量，二值信號(hào)量相當(dāng)于長(zhǎng)度為 1 的隊(duì)列，那么計(jì)數(shù)型信號(hào)量就是長(zhǎng)度大于 1 的隊(duì)列。同二值信號(hào)量一樣，用戶不需要關(guān)心隊(duì)列中存儲(chǔ)了什么數(shù)據(jù)，只需要關(guān)心隊(duì)列是否為空即可。計(jì)數(shù)型信號(hào)量通常用于如下兩個(gè)場(chǎng)合：

事件計(jì)數(shù)

在這個(gè)場(chǎng)合中，每次事件發(fā)生的時(shí)候就在事件處理函數(shù)中釋放信號(hào)量（增加信號(hào)量的計(jì)數(shù)值），其他任務(wù)會(huì)獲取信號(hào)量（信號(hào)量計(jì)數(shù)值減一，信號(hào)量值就是隊(duì)列結(jié)構(gòu)體成員變量uxMessagesWaiting）來(lái)處理事件。在這種場(chǎng)合中創(chuàng)建的計(jì)數(shù)型信號(hào)量初始計(jì)數(shù)值為 0。

資源管理

在這個(gè)場(chǎng)合中，信號(hào)量值代表當(dāng)前資源的可用數(shù)量，比如停車場(chǎng)當(dāng)前剩余的停車位數(shù)量。一個(gè)任務(wù)要想獲得資源的使用權(quán)，首先必須獲取信號(hào)量，信號(hào)量獲取成功以后信號(hào)量值就會(huì)減一。當(dāng)信號(hào)量值為 0 的時(shí)候說(shuō)明沒(méi)有資源了。當(dāng)一個(gè)任務(wù)使用完資源以后一定要釋放信號(hào)量，釋放信號(hào)量以后信號(hào)量值會(huì)加一。在這個(gè)場(chǎng)合中創(chuàng)建的計(jì)數(shù)型信號(hào)量初始值應(yīng)該是資源的數(shù)量，比如停車場(chǎng)一共有 100 個(gè)停車位，那么創(chuàng)建信號(hào)量的時(shí)候信號(hào)量值就應(yīng)該初始化為 100。

3、互斥信號(hào)量

互斥信號(hào)量其實(shí)就是一個(gè)擁有優(yōu)先級(jí)繼承的二值信號(hào)量，在同步的應(yīng)用中（任務(wù)與任務(wù)或中斷與任務(wù)之間的同步）二值信號(hào)量最適合?；コ庑盘?hào)量適合用于那些需要互斥訪問(wèn)的應(yīng)用中。在互斥訪問(wèn)中互斥信號(hào)量相當(dāng)于一個(gè)鑰匙，當(dāng)任務(wù)想要使用資源的時(shí)候就必須先獲得這個(gè)鑰匙，當(dāng)使用完資源以后就必須歸還這個(gè)鑰匙，這樣其他的任務(wù)就可以拿著這個(gè)鑰匙去使用資源。

互斥信號(hào)量使用和二值信號(hào)量相同的 API 操作函數(shù)，所以互斥信號(hào)量也可以設(shè)置阻塞時(shí)間，不同于二值信號(hào)量的是互斥信號(hào)量具有優(yōu)先級(jí)繼承的特性。當(dāng)一個(gè)互斥信號(hào)量正在被一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)使用，而此時(shí)有個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)也嘗試獲取這個(gè)互斥信號(hào)量的話就會(huì)被阻塞。不過(guò)這個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)會(huì)將低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)提升到與自己相同的優(yōu)先級(jí)，這個(gè)過(guò)程就是優(yōu)先級(jí)繼承。優(yōu)先級(jí)繼承盡可能的降低了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)處于阻塞態(tài)的時(shí)間，并且將已經(jīng)出現(xiàn)的“優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)”的影響降到最低。

優(yōu)先級(jí)繼承并不能完全的消除優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)，它只是盡可能的降低優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)帶來(lái)的影響。硬實(shí)時(shí)應(yīng)用應(yīng)該在設(shè)計(jì)之初就要避免優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)的發(fā)生?；コ庑盘?hào)量不能用于中斷服務(wù)函數(shù)中，原因如下：

● 互斥信號(hào)量有優(yōu)先級(jí)繼承的機(jī)制，所以只能用在任務(wù)中，不能用于中斷服務(wù)函數(shù)。

● 中斷服務(wù)函數(shù)中不能因?yàn)橐却コ庑盘?hào)量而設(shè)置阻塞時(shí)間進(jìn)入阻塞態(tài)。

4、遞歸互斥信號(hào)量

遞歸互斥信號(hào)量可以看作是一個(gè)特殊的互斥信號(hào)量，已經(jīng)獲取了互斥信號(hào)量的任務(wù)就不能再次獲取這個(gè)互斥信號(hào)量，但是遞歸互斥信號(hào)量不同，已經(jīng)獲取了遞歸互斥信號(hào)量的任務(wù)可以再次獲取這個(gè)遞歸互斥信號(hào)量，而且次數(shù)不限！一個(gè)任務(wù)使用函數(shù) xSemaphoreTakeRecursive（）成功的獲取了多少次遞歸互斥信號(hào)量就得使用函數(shù) xSemaphoreGiveRecursive（）釋放多少次！比如某個(gè)任務(wù)成功的獲取了 5 次遞歸信號(hào)量，那么這個(gè)任務(wù)也得同樣的釋放 5 次遞歸信號(hào)量。

遞歸互斥信號(hào)量也有優(yōu)先級(jí)繼承的機(jī)制，所以當(dāng)任務(wù)使用完遞歸互斥信號(hào)量以后一定要記得釋放。同互斥信號(hào)量一樣，遞歸互斥信號(hào)量不能用在中斷服務(wù)函數(shù)中。

● 由于優(yōu)先級(jí)繼承的存在，就限定了遞歸互斥信號(hào)量只能用在任務(wù)中，不能用在中斷服務(wù)函數(shù)中！

● 中斷服務(wù)函數(shù)不能設(shè)置阻塞時(shí)間。

要使用遞歸互斥信號(hào)量的話宏 configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 必須為 1！