FreeRTOS信号量学习

一、信号量的特性

1. 信号量的常规操作

2. 信号量跟队列的对比

3. 两种信号量的对比

4. 信号量函数

4.1 创建

4.2 删除

4.3 give/take

5. 使用二进制信号量来同步

6. 防止数据丢失

7. 使用计数型信号量

队列(queue)可以用于传输数据：在任务之间、任务和中断之间。

有时候我们只需要传递状态，并不需要传递具体的信息，比如：
        我的事做完了，通知一下你
        卖包子了、卖包子了，做好了1个包子！做好了2个包子！做好了3个包子！
        这个停车位我占了，你们只能等着
在这种情况下我们可以使用信号量(semaphore)，它更节省内存。

一、信号量的特性

1. 信号量的常规操作

        信号：起通知作用
        量：还可以用来表示资源的数量
        当"量"没有限制时，它就是"计数型信号量"(Counting Semaphores)
        当"量"只有0、1两个取值时，它就是"二进制信号量"(Binary Semaphores)
支持的动作："give"给出资源，计数值加1；"take"获得资源，计数值减1

计数型信号量的典型场景是：
计数：事件产生时"give"信号量，让计数值加1；处理事件时要先"take"信号量，就是获得信号量，让计数值减1。
资源管理：要想访问资源需要先"take"信号量，让计数值减1；用完资源后"give"信号量，让计数值加1。

        信号量的"give"、"take"双方并不需要相同，可以用于生产者-消费者场合：
                生产者为任务A、B，消费者为任务C、D
        一开始信号量的计数值为0，如果任务C、D想获得信号量，会有两种结果：
                阻塞：买不到东西咱就等等吧，可以定个闹钟(超时时间)
                即刻返回失败：不等
        任务A、B可以生产资源，就是让信号量的计数值增加1，并且把等待这个资源的顾客唤醒
唤醒谁？谁优先级高就唤醒谁，如果大家优先级一样就唤醒等待时间最长的人

二进制信号量跟计数型的唯一差别，就是计数值的最大值被限定为1。

2. 信号量跟队列的对比

差异列表如下：

队列	信号量
可以容纳多个数据，创建队列时有2部分内存: 队列结构体、存储数	只有计数值，无法容纳其他数据。创建信号量时，只需要分配信号量结构体
生产者：没有空间存入数据时可以阻塞	生产者：用于不阻塞，计数值已经达到最大时返回失败
消费者：没有数据时可以阻塞	消费者：没有资源时可以阻塞

3. 两种信号量的对比

信号量的计数值都有限制：限定了最大值。如果最大值被限定为1，那么它就是二进制信号量；如果最大值不是1，它就是计数型信号量。
差别列表如下：

4. 信号量函数

使用信号量时，先创建、然后去添加资源、获得资源。使用句柄来表示一个信号量。

4.1 创建

使用信号量之前，要先创建，得到一个句柄；使用信号量时，要使用句柄来表明使用哪个信号量。
对于二进制信号量、计数型信号量，它们的创建函数不一样：

	二进制信号量	计数型信号量
动态创建	xSemaphoreCreateBinary 计数值初始值为0	xSemaphoreCreateCounting
	vSemaphoreCreateBinary(过时了) 计数值初始值为1
静态创建	xSemaphoreCreateBinaryStatic	xSemaphoreCreateCountingStatic

创建二进制信号量的函数原型如下：

/* 创建一个二进制信号量，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 );
/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
* 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t
*pxSemaphoreBuffer );

创建计数型信号量的函数原型如下：

/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。
* 此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);
/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。
* 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针
* 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 );

4.2 删除

对于动态创建的信号量，不再需要它们时，可以删除它们以回收内存。
vSemaphoreDelete可以用来删除二进制信号量、计数型信号量，函数原型如下：

/*
* xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量
*/
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

4.3 give/take

二进制信号量、计数型信号量的give、take操作函数是一样的。这些函数也分为2个版本：给任务使用，给ISR使用。列表如下：

xSemaphoreGive的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

xSemaphoreGive函数的参数与返回值列表如下：

xSemaphoreGiveFromISR的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

xSemaphoreGiveFromISR函数的参数与返回值列表如下：

xSemaphoreTake的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait
);

xSemaphoreTake函数的参数与返回值列表如下：

xSemaphoreTakeFromISR的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

5. 使用二进制信号量来同步

main函数中创建了一个二进制信号量，然后创建2个任务：一个用于释放信号量，另一个用于获取信号量，代码如下：

首先创建一个二进制信号量的句柄即SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore

创建二进制信号量,返回句柄，非NULL表示创建成功。

然后创建两个任务，其中一个任务名为Sender,优先级为2，另外一个任务名为Receiver，优先级为1。创建1个任务用于释放信号量，优先级为2；创建1个任务用于获取信号量，优先级为1。

/* 二进制信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;
int main( void )
{prvSetupHardware();/* 创建二进制信号量 */xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary( );if( xBinarySemaphore != 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{/* 无法创建二进制信号量 */}/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */return 0;
}

static void vSenderTask( void *pvParameters )
{int i;int cnt_ok = 0;int cnt_err = 0;const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	/* 无限循环 */for( ;; ){		for (i = 0; i < 3; i++){if (xSemaphoreGive(xBinarySemaphore) == pdTRUE)printf("Give BinarySemaphore %d time: OK\r\n", cnt_ok++);elseprintf("Give BinarySemaphore %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(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE ){/* 得到了二进制信号量 */printf("Get BinarySemaphore OK: %d\r\n", cnt_ok++);}else{/* 没有得到了二进制信号量 */printf("Get BinarySemaphore ERR: %d\r\n", cnt_err++);}}
}

运行结果如下图所示，即使发送任务连续释放多个信号量，也只能成功1次。释放、获得信号量是一一对应的。

发送任务、接收任务的代码和执行流程如下：
A：发送任务优先级高，先执行。连续3次释放二进制信号量，只有第1次成功（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）
B：发送任务进入阻塞态
C：接收任务得以执行，得到信号量，打印OK；再次去获得信号量时，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

/*调用vTaskDelay()函数后，任务会进入阻塞状态，持续时间由vTaskDelay()函数的参数xTicksToDelay指定，单位是系统节拍时钟周期。常量portTICK_RATE_MS 用来辅助计算真实时间，此值是系统节拍时钟中断的周期，单位是毫秒。在文件FreeRTOSConfig.h中，宏INCLUDE_vTaskDelay 必须设置成1，此函数才能有效。*/

vTaskDelay()指定的延时时间是从调用vTaskDelay()后开始计算的相对时间。比如vTaskDelay(100)，那么从调用vTaskDelay()后，任务进入阻塞状态，经过100个系统时钟节拍周期，任务解除阻塞。因此，vTaskDelay()并不适用与周期性执行任务的场合。此外，其它任务和中断活动，会影响到vTaskDelay()的调用（比如调用前高优先级任务抢占了当前任务），因此会影响任务下一次执行的时间。API函数vTaskDelayUntil()可用于固定频率的延时，它用来延时一个绝对时间。
D：发送任务再次运行，连续3次释放二进制信号量，只有第1次成功
E：发送任务进入阻塞态
F：接收任务被唤醒，得到信号量，打印OK；再次去获得信号量时，进入阻塞状态

6. 防止数据丢失

        在使用二进制信号来同步中，发送任务发出3次"提醒"，但是接收任务只接收到1次"提醒"，其中2次"提醒"丢失了。
        这种情况很常见，比如每接收到一个串口字符，串口中断程序就给任务发一次"提醒"，假设收到多个字符、发出了多次"提醒"。当任务来处理时，它只能得到1次"提醒"。
        你需要使用其他方法来防止数据丢失，比如：
        在串口中断中，把数据放入缓冲区
        在任务中，一次性把缓冲区中的数据都读出
        简单地说，就是：你提醒了我多次，我太忙只响应你一次，但是我一次性拿走所有数据
        main函数中创建了一个二进制信号量，然后创建2个任务：一个用于释放信号量，另一个用于获取信号量，代码如下：

/* 二进制信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;
int main( void )
{
prvSetupHardware();
/* 创建二进制信号量 */
xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary( );
if( xBinarySemaphore != 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
{
/* 无法创建二进制信号量 */
}
/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
return 0;
}

A：发送任务优先级高，先执行。连续写入3个数据、释放3个信号量：只有1个信号量起作用
B：发送任务进入阻塞态
C：接收任务得以执行，得到信号量
D：接收任务一次性把所有数据取出
E：接收任务再次尝试获取信号量，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
F：发送任务再次运行，连续写入3个数据、释放3个信号量：只有1个信号量起作用
G：发送任务进入阻塞态
H：接收任务被唤醒，得到信号量，一次性把所有数据取出

程序运行结果如下，数据未丢失：

7. 使用计数型信号量

        使用计数型信号量时，可以多次释放信号量；当信号量的技术值达到最大时，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。
        main函数中创建了一个计数型信号量，最大计数值为3，初始值计数值为0；然后创建2个任务：一个用于释放信号量，另一个用于获取信号量，代码如下：

/* 计数型信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore;
int main( void )
{
prvSetupHardware();
/* 创建计数型信号量 */
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 */
}
/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
return 0;
}

发送任务、接收任务的代码和执行流程如下：
A：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
B：发送任务进入阻塞态
CDE：接收任务得以执行，得到3个信号量
F：接收任务试图获得第4个信号量时进入阻塞状态

/*BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait);*/

xTicksToWait参数的意思是：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
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
G：发送任务再次运行，连续释放4个信号量：只有前面3次成功，第4次失败
H：发送任务进入阻塞态
IJK：接收任务得以执行，得到3个信号量
L：接收任务再次获取信号量时进入阻塞状态