嵌入式|RTOS教学——FreeRTOS基础4：信号量
在嵌入式实时操作系统（如 FreeRTOS、RT-Thread 等）中，信号量（Semaphore） 是一种用于任务同步和资源管理的核心机制，本质是一个 “带计数的标志”，通过对计数器的 “获取” 和 “释放” 操作，实现多任务间的协作与冲突控制。
简单来说，信号量可以理解为：
- 一个 “通行证”：任务需要获得通行证才能执行某个操作（如访问共享资源）；
- 一个 “通知器”：任务完成后释放通行证，通知其他等待的任务可以开始执行。
一、信号量的核心组成
信号量的核心是一个计数器和一个等待队列：
- 计数器（count）：记录可用的 “资源数量” 或 “通知次数”，取值范围由具体 RTOS 定义（通常为非负整数）。
- 等待队列（wait queue）：当信号量计数器为 0 时，试图获取信号量的任务会进入这个队列，进入 “阻塞态” 等待，直到有其他任务释放信号量。
二、信号量的两种核心类型
根据计数器的特性，信号量主要分为两类，适用场景不同：
1. 二进制信号量（Binary Semaphore）
特性：计数器只能为 0 或 1（类似 “开关”）。
核心作用：任务同步（通知事件发生）。
工作流程：
- 初始状态：计数器为 0（信号量 “未释放”）。
- 任务 A 完成某个操作后，调用 “释放信号量” 接口，计数器变为 1（发出 “事件完成” 通知）。
- 任务 B 调用 “获取信号量” 接口，若计数器为 1，则获取成功（计数器变回 0），开始执行后续操作；若计数器为 0，则任务 B 进入阻塞态，等待任务 A 释放信号量。
示例场景：
传感器采集任务（A）完成一次数据采集后，释放二进制信号量；数据处理任务（B）一直等待该信号量，获取成功后立即处理新采集的数据（实现 “采集完成→处理” 的同步）。
2. 计数信号量（Counting Semaphore）
特性：计数器可以是 0 到 N 之间的整数（N 为最大计数，创建时指定）。
核心作用：资源管理（控制多个任务对有限资源的访问）。
工作流程：
- 初始状态：计数器为 N（表示有 N 个资源可用）。
- 任务获取信号量：计数器减 1（占用一个资源）；若计数器为 0，任务进入阻塞态等待。
- 任务释放信号量：计数器加 1（释放一个资源）；若有任务在等待队列中，唤醒其中一个任务（通常是优先级最高的）。
示例场景：
系统有 2 个串口资源，创建计数信号量时初始计数设为 2。3 个任务需要使用串口时：前 2 个任务能成功获取信号量（计数器变为 0），第 3 个任务进入阻塞态；当任意一个任务用完串口并释放信号量（计数器变为 1），第 3 个任务被唤醒，获取信号量后使用串口。
三、信号量的核心操作（以 FreeRTOS 为例）
信号量的使用围绕 “创建→获取→释放” 三个核心操作，FreeRTOS 提供了简洁的接口：
| 操作 | 函数接口（FreeRTOS） | 功能说明 |
|---|---|---|
| 创建 | xSemaphoreCreateBinary() | 创建二进制信号量（初始计数为 0）。 |
xSemaphoreCreateCounting() | 创建计数信号量（需指定最大计数和初始计数，如 xSemaphoreCreateCounting(5, 3) 表示最大 5 个资源，初始 3 个可用）。 | |
| 获取 | xSemaphoreTake() | 任务中获取信号量：计数器减 1，若计数器为 0 则阻塞（阻塞时间可设置）；成功返回 pdPASS。 |
xSemaphoreTakeFromISR() | 中断中获取信号量（不阻塞，仅用于特殊场景，通常不推荐在中断中获取）。 | |
| 释放 | xSemaphoreGive() | 任务中释放信号量：计数器加 1，若有等待任务则唤醒；成功返回 pdPASS。 |
xSemaphoreGiveFromISR() | 中断中释放信号量（中断安全版本）。 |
四、信号量 vs 消息队列：核心区别
信号量和消息队列都能实现任务间通信，但定位不同：
- 信号量：更侧重 “事件同步” 或 “资源计数”，不传递具体数据（仅传递 “是否可用” 的状态）。
例：用信号量通知 “按键被按下”，但不传递 “按下的是哪个键” 的信息。 - 消息队列：更侧重 “数据传递”，可以携带具体数据（如温度值、命令字）。
例：用队列传递 “按键值 = KEY1”，接收方知道具体是哪个键被按下。
五、典型应用场景
中断与任务同步：
外部中断（如按键触发）发生时，在中断服务函数中用xSemaphoreGiveFromISR()释放二进制信号量；任务中用xSemaphoreTake()等待该信号量，获取成功后处理中断事件（避免在中断中执行复杂逻辑）。限制共享资源访问：
多个任务需要访问同一块 LCD 屏（唯一资源），用二进制信号量控制：任务使用 LCD 前获取信号量（确保独占），用完后释放，避免多个任务同时刷新 LCD 导致显示混乱。任务间顺序控制：
系统启动时，初始化任务（A）需要先初始化外设，完成后释放信号量；其他任务（B、C、D）必须等待该信号量才能运行（确保外设就绪后再操作）。限流控制：
某传感器最大支持每秒被读取 10 次，用计数信号量（初始计数 10，最大 10）：每次读取前获取信号量（计数减 1），1 秒后定时任务释放 10 个信号量（恢复计数），避免读取频率过高损坏硬件。
六、使用注意事项
避免死锁：
若任务 A 持有信号量 S1 并等待信号量 S2，任务 B 持有 S2 并等待 S1，会导致两者永久阻塞（死锁）。需统一任务获取信号量的顺序（如按信号量地址从小到大）。中断中谨慎操作：
中断中只能释放信号量（用xSemaphoreGiveFromISR()），禁止获取信号量（可能阻塞，违反中断 “快速执行” 原则）。合理设置阻塞时间：
获取信号量时，阻塞时间过短可能导致任务频繁失败；过长可能影响实时性。根据业务需求设置（如非关键任务设短时间，关键任务设portMAX_DELAY永久等待）。二进制信号量 vs 互斥锁：
二进制信号量用于 “同步”，互斥锁（Mutex）用于 “独占资源”（带优先级继承机制，避免优先级反转）。若要保护共享资源，优先用互斥锁而非二进制信号量。
总结
信号量是 RTOS 中实现任务协作与资源控制的 “轻量级工具”，通过简单的计数机制，解决了多任务环境下的同步、互斥和限流问题。核心是理解：
- 二进制信号量：“0 或 1” 的开关，用于事件通知；
- 计数信号量：“0 到 N” 的计数器，用于资源管理。
结合具体场景选择合适的信号量类型，并注意避免死锁和中断使用禁忌，就能充分发挥其作用。