FreeRTOS信号量详解第二讲（全网最全）——二值信号量

一、二值信号量简介

二值信号量通常用于互斥访问或同步，二值信号量和互斥信号量非常类似，但是还是有一些细微的差别，互斥信号量拥有优先级继承机制，二值信号量没有优先级继承。因此二值信号另更适合用于同步（任务与任务或任务与中断的同步），而互斥信号量适合用于简单的互斥访问。和队列一样，信号量API函数允许设置一个阻塞时间，阻塞时间是当任务获取信号量的时候由于信号量无效从而导致任务进入阻塞态的最大时钟节拍数。如果多个任务同时阻塞在同一个信号量上的话那么优先级最高的那个任务优先获得信号量，这样当信号量有效的时候高优先级的任务就会解除阻塞状态。二值信号量其实就是一个只有一个队列项的队列，这个特殊的队列要么是满的，要么是空的，这不正好就是二值的吗？任务和中断使用这个特殊队列不用在乎队列中存的是什么消息，只需要知道这个队列是满的还是空的。可以利用这个机制来完成任务与中断之间的同步。在实际应用中通常会使用一个任务来处理MCU的某个外设，比如网络应用中，一般最简单的方法就是使用一个任务去轮询的查询MCU的ETH(网络相关外设，如STM32的以太网MAC)外设是否有数据，当有数据的时候就处理这个网络数据。这样使用轮询的方式是很浪费CPU资源的，而且也阻止了其他任务的运行。最理想的方法就是当没有网络数据的时候网络任务就进入阻塞态，把CPU让给其他的任务，当有数据的时候网络任务才去执行。现在使用二值信号量就可以实现这样的功能，任务通过获取信号量来判断是否有网络数据，没有的话就进入阻塞态，而网络中断服务函数（大多数的网络外设都有中断功能，比如STM32的MAC专用DMA中断，通过中断可以判断是否接收到数据）通过释放信号量来通知任务以太网外设接收到了网络数据，网络任务可以去提取处理了。网络任务只是在一直的获取二值信号量，它不会释放信号量，而中断服务函数是一直在释放信号量，它不会获取信号量。在中断服务函数中发送信号量可以使用函数xSemaphoreGiveFromISR()，也可以使用任务通知功能来替代二值信号量，而且使用任务通知的话速度更快，代码量更少。使用二值信号量来完成中断与任务同步的这个机制中，任务优先级确保了外设能够得到及时的处理，这样做相当于推迟了中断处理过程。也可以使用队列来替代二值信号量，在外设事件的中断服务函数中获取相关数据，并将相关的数据通过队列发送给任务。如果队列无效的话任务就进入阻塞态，直至队列中有数据，任务接收到数据以后就开始相关的处理过程。下面几
个步骤演示了二值信号量的工作过程。

1、二值信号量无效

在上图中任务Task通过函数xSemaphoreTake()获取信号量，但是此时二值信号量无效，所以任务Task进入阻塞态。

2、中断释放信号量

此时中断发生了，在中断服务函数中通过函数xSemaphoreGiveFromISR()释放信号量，因此信号量变为有效。

3、任务获取信号量成功

由于信号量已经有效了，所以任务Task获取信号量成功，任务从阻塞态解除，开始执行相关的处理过程。

4、任务再次进入阻塞态
由于任务函数一般都是一个大循环，所以在任务做完相关的处理以后就会再次调用函数xSemaphoreTake0获取信号量。在执行完第三步以后二值信号量就已经变为无效的了，所以任务将再次进入阻塞态，和第一步一样，直至中断再次发生并且调用函数xSemaphoreGiveFromISR()释放信号量。

二、二值信号量相关函数

1、创建二值信号量
同队列一样，要想使用二值信号量就必须先创建二值信号量，二值信号量创建函数如下表：

- ①、函数vSemaphoreCreateBinary()

此函数是老版本FreeRTOS中的创建二值信号量函数，新版本已经不再使用了，新版本的FreeRTOS使用xSemaphoreCreateBinary()来替代此函数，这里还保留这个函数是为了兼容那些基于老版本FreeRTOS而做的应用层代码。此函数是个宏，具体创建过程是由函数
xQueueGenericCreate()来完成的，在文件semphr.h中有如下定义：

void vSemaphoreCreateBinary(SemaphoreHandle_t xSemaphore)

- ②、函数xSemaphoreCreateBinary()

此函数是vSemaphoreCreateBinary()的新版本，新版本的FreeRTOS中统一用此函数来创建二值信号量。使用此函数创建二值信号量的话信号量所需要的RAM是由FreeRTOS的内存管理部分来动态分配的。此函数创建好的二值信号量默认是空的，也就是说刚创建好的二值信号量使用函数xSemaphoreTake()是获取不到的，此函数也是个宏，具体创建过程是由函数
xQueueGenericCreate()来完成的，函数原型如下：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void)

- ③、函数xSemaphoreCreateBinaryStatic()

此函数也是创建二值信号量的，只不过使用此函数创建二值信号量的话信号量所需要的RAM需要由用户来分配，此函数是个宏，具体创建过程是通过函数xQueueGenericCreateStatic()来完成的，函数原型如下：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic(
StaticSemaphore_t*pxSemaphoreBuffer)

2、释放信号量
释放信号量的函数有两个，如下表所示：

同队列一样，释放信号量也分为任务级和中断级。不管是二值信号量、计数型信号量还是互斥信号量，它们都使用上述表中的函数释放信号量，递归互斥信号量有专用的释放函数。

• ①、函数xSemaphoreGive()
  此函数用于释放二值信号量、计数型信号量或互斥信号量，此函数是一个宏，真正释放信号量的过程是由函数xQueueGenericSend()来完成的，函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive(xSemaphore)

- ②、函数xSemaphoreGiveFromISR()
此函数用于在中断中释放信号量，此函数只能用来释放二值信号量和计数型信号量，绝对不能用来在中断服务函数中释放互斥信号量！此函数是一个宏，真正执行的是函数xQueueGiveFromISR()，此函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
SemaphoreHandle_t xSemaphore,
BaseType_t* pxHigherPriorityTaskWoken)

3、获取信号量
获取信号量也有两个函数，如下表所示：

上表获取信号量同释放信号量的API函数一样，不管是二值信号量、计数型信号量还是互斥信号量，它们都可以使用表中的函数获取信号量。

- ①、函数xSemaphoreTake()

此函数用于获取二值信号量、计数型信号量或互斥信号量，此函数是一个宏，真正获取信号量的过程是由函数xQueueGenericReceive()来完成的，函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(
SemaphoreHandle_t xSemaphore,
TickType_t xBlockTime)

- ②、函数xSemaphoreTakeFromISR()
此函数用于在中断服务函数中获取信号量，此函数用于获取二值信号量和计数型信号量，绝对不能使用此函数来获取互斥信号量！此函数是一个宏，真正执行的是函数
xQueueReceiveFromISR()，此函数原型如下：

Base Type_t xSemaphoreTakeFromISR(
SemaphoreHandle_t xSemaphore,
BaseType_t* pxHigherPriorityTaskWoken)

FreeRTOS二值信号量就讲解到这里啦！！！下一讲计数信号量。