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FreeRTOS学习笔记——（5）信号量

2023-05-16

系列文章目录

FreeRTOS学习笔记—— 系列文章目录

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  • 系列文章目录
  • 信号量
  • 一、信号量函数
    • 1、创建
    • 2、删除
    • 3、give 、 take 函数
  • 二、信号量的应用
    • 1、二进制信号量（防止数据丢失）
    • 2、计数型信号量

信号量

上一篇写的队列可以用来传输数据，但是有时我们只需要传递状态，并不需要传递具体的信息，比如：我用完串口了，通知你一下，你可以使用了。这时就可以使用信号量（ semaphore ），只是记录状态或者记录数量，不传输数据，更节省内存。

信号： 起到通知的作用。
量： 可以用来表示资源的数量。

当量没有限制时，是计数型信号量。当量只有0、1 两个取值时，是二进制信号量。
二进制信号量与计数型的唯一差别，就是二进制信号量计数值的最大值被限定为1。

一、信号量函数

1、创建

使用信号量之前先创建，得到信号量句柄。
信号量的创建有两种方法：动态创建、静态创建

创建二进制信号量 如下

/*  动态创建  二进制信号量，返回它的句柄。
* 此函数内部会分配信号量结构体
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );


/* 静态创建  二进制信号量，返回它的句柄。，需要事先定义 StaticSemaphore_t 结构体
* 传入 StaticSemaphore_t结构体指针
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t   *pxSemaphoreBuffer );

创建计数型信号量 如下

/* 动态创建  计数型信号量，返回它的句柄。
* 函数内部会分配信号量结构体
* uxMaxCount: 最大计数值
* uxInitialCount: 初始计数值
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);

/* 静态创建  计数型信号量，返回它的句柄。需要定义一个 StaticSemaphore_t 结构体
* uxMaxCount: 最大计数值
* uxInitialCount: 初始计数值
* pxSemaphoreBuffer: StaticSemaphore_t结构体指针
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount,
               									  UBaseType_t uxInitialCount,
                         						  StaticSemaphore_t  *pxSemaphoreBuffer );

2、删除

动态创建的信号量，不需要它们时，可以删除回收内存。

/*
* xSemaphore: 信号量句柄，要删除的信号量
*/
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore )

3、give 、 take 函数

give 操作函数使信号量计数值加 1
take 操作函数使信号量计数值减 1

二进制信号量、计数型信号量的give、take操作函数是一样的。
与队列的操作函数类似都有两个版本：在任务中使用、在中断中使用（函数后缀为 ISR 的是在中断中使用）。

give 函数 如下：

/* 
 * 参数：xSemaphore ：信号量句柄，释放哪个信号量
 * 参数：pxHigherPriorityTaskWoken  ：  如果释放信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
 * 
 * 返回值 ： pdTRUE表示成功
 * 			如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败；
 * 			如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败
 */
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
          						  SemaphoreHandle_t xSemaphore,
          						  BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
      						    );

take 函数 如下：


/* 
 * 参数：xSemaphore ：信号量句柄，获取哪个信号量
 * 参数：xTicksToWait ： 如果无法马上获得信号量，阻塞一会：
 * 						0：不阻塞，马上返回
 * 						portMAX_DELAY: 一直阻塞直到成功
 * 						其他值: 阻塞的Tick个数，可以使用 pdMS_TO_TICKS() 来指定阻塞时间为若干ms
 * 参数：pxHigherPriorityTaskWoken  ：  如果获取信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
 * 
 * 返回值 ： pdTRUE表示成功
 */
 
BaseType_t xSemaphoreTake(
        					 SemaphoreHandle_t xSemaphore,
         					 TickType_t xTicksToWait
      					 );
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(
           							 SemaphoreHandle_t xSemaphore,
            						 BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
         						);

二、信号量的应用

1、二进制信号量（防止数据丢失）

要放置信号数据的丢失需要创建缓冲区来存储数据，这里创建环形缓冲区如下

//  创建环形缓冲区  txbuf[BUF_LEN];
#define BUF_LEN   32  
#define NEXT_PLACE(i)  ((i+1)&0x1F)  // 下一个存储空间 

uint8_t txbuf[BUF_LEN];
uint32_t tx_r = 0;
uint32_t tx_w = 0;

static int is_txbuf_empty(void)
{
	return tx_r == tx_w;
}
static int is_txbuf_full(void)
{
	
	return NEXT_PLACE(tx_w) == tx_r;
}
static int txbuf_put(unsigned char val)
{
	if(is_txbuf_full())
		return -1;
	txbuf[tx_w] = val;
	tx_w = NEXT_PLACE(tx_w);
	return 0;
}
static int txbuf_get(unsigned char *pval)
{
	if(is_txbuf_empty())
		return -1;
	*pval = txbuf[tx_r];
	tx_r = NEXT_PLACE(tx_r);
	return 0;
}

在main函数中创建信号量，创建任务，代码如下

SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

int main( void )
{
	
		
	prvSetupHardware();

	xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary( );
	if(xBinarySemaphore == NULL)
	{
		printf("can not create Semaphore\r\n");
	}
	
	xTaskCreate(vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL);

	xTaskCreate(vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL);

	

	/* Start the scheduler. */
	vTaskStartScheduler();

	/* Will only get here if there was not enough heap space to create the
	idle task. */
	return 0;
}

发送任务：

static void vSenderTask(void * param)
{
	int i;
	int cnt_tx = 0;
	int cnt_ok = 0;
	int cnt_err = 0;
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	
	
	while (1)
	{
		for(i = 0; i < 3; i++)
		{
			txbuf_put('a' + cnt_tx);
			cnt_tx++;
			
			if(xSemaphoreGive(xBinarySemaphore) == pdTRUE)
				printf("Give BinarySemaphore %d time: OK\r\n", cnt_ok++);
			else 
				printf("Give BinarySemaphore %d time: ERR\r\n", cnt_err++);
			
			
		}
		vTaskDelay(xTicksToWait);

	}
}

接收任务;

static void vReceiverTask(void * param)
{
	int cnt_ok = 0;
	int cnt_err = 0;
	uint8_t c;
	
	while(1)
	{
		if(xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
		{
			printf("Get BinarySemaphore OK: %d, data: ", cnt_ok++);
			
			while (txbuf_get(&c) == 0)
			{
				printf("%c", c);
			}
			printf("\r\n");
		}
		else
		{
			printf("Get BinarySemaphore ERR: %d\r\n", cnt_err++);
		}
		
	}
}

运行结果;
在这里插入图片描述

2、计数型信号量

使用计数型信号量时，可以多次释放信号量；当信号量的计数值达到最大时，再次释放信号量就会出错。如果信号量计数值为n，就可以连续n次获取信号量，第(n+1)次获取信号量就会阻塞或失败。

/* 计数型信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore;
int main( void )
{
prvSetupHardware();
/* 创建计数型信号量   最大计数值为3，初始值计数值为0  */
xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(3, 0);
if( xCountingSemaphore != NULL )
{
/* 创建1个任务用于释放信号量
* 优先级为2
*/
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );
/* 创建1个任务用于获取信号量
* 优先级为1
*/
xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );
/* 启动调度器 */
vTaskStartScheduler();
}
else
{
/* 无法创建信号量 */
}
return 0;
}


static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
	int i;
	int cnt_ok = 0;
	int cnt_err = 0;
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 20UL );	
	
	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{		
		for (i = 0; i < 4; i++)
		{			
			/* 提醒对方 */
			if (xSemaphoreGive(xCountingSemaphore) == pdTRUE)
				printf("Give CountingSemaphore %d time: OK\r\n", cnt_ok++);
			else
				printf("Give CountingSemaphore %d time: ERR\r\n", cnt_err++);
		}
				
		vTaskDelay(xTicksToWait);
	}
}

static void vReceiverTask( void *pvParameters )
{
	int cnt_ok = 0;
	int cnt_err = 0;

	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{
		if( xSemaphoreTake(xCountingSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE )
		{
			/* 得到了信号量 */
			printf("Get CountingSemaphore OK: %d\r\n", cnt_ok++);
		}
		else
		{
			/* 没有得到了信号量 */
			printf("Get BinarySemaphore ERR: %d\r\n", cnt_err++);
		}
	}
}

在此程序中 发送任务优先级高，先执行。连续释放4个信号量，只有前面3次成功，第4次失败；然后发送任务进入阻塞态；接收任务开始执行，得到3个信号量，执行3次，在试图获得第4个信号量时进入阻塞状态；在发送任务的vTaskDelay退出之前，运行的是空闲任务：现在发送任务、接收任务都阻塞了。然后发送任务在此运行。

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